اتر سلولز در صنعت کاغذ

این مقاله انواع، روش‌های آماده‌سازی، ویژگی‌های عملکرد و وضعیت کاربرد اترهای سلولزی در صنعت کاغذسازی را معرفی می‌کند، انواع جدیدی از اترهای سلولزی را با چشم‌انداز توسعه مطرح می‌کند و کاربرد و روند توسعه آنها را در کاغذسازی مورد بحث قرار می‌دهد.

کلمات کلیدی:اتر سلولز؛ عملکرد؛ صنعت کاغذ

سلولز یک ترکیب پلیمری طبیعی است، ساختار شیمیایی آن یک ماکرومولکول پلی ساکارید با بی آب است.β- گلوکز به عنوان حلقه پایه، و هر حلقه پایه دارای یک گروه هیدروکسیل اولیه و یک گروه هیدروکسیل ثانویه است. از طریق اصلاح شیمیایی آن می توان یک سری از مشتقات سلولز را به دست آورد. روش تهیه اتر سلولز به این صورت است که سلولز با NaOH واکنش داده و سپس واکنش اتریفیکاسیون با واکنش دهنده های عملکردی مختلف مانند متیل کلرید، اتیلن اکساید، پروپیلن اکسید و غیره انجام می شود و سپس نمک محصول فرعی و مقداری سدیم سلولز را شستشو می دهیم تا به دست آید. محصول سلولز اتر یکی از مشتقات مهم سلولز است که می تواند به طور گسترده در پزشکی و بهداشت، صنایع شیمیایی روزانه، کاغذ سازی، مواد غذایی، دارویی، ساختمان سازی، مواد و سایر صنایع مورد استفاده قرار گیرد. در سال های اخیر کشورهای خارجی اهمیت زیادی به تحقیقات آن داده اند و دستاوردهای زیادی در زمینه تحقیقات پایه کاربردی، اثرات کاربردی کاربردی و آماده سازی حاصل شده است. در سال های اخیر، برخی از افراد در چین به تدریج شروع به درگیر شدن در تحقیقات این جنبه کرده اند و در ابتدا به نتایجی در عمل تولید دست یافته اند. بنابراین، توسعه و استفاده از اتر سلولز نقش بسیار مهمی در استفاده همه جانبه از منابع زیستی تجدیدپذیر و بهبود کیفیت و عملکرد کاغذ دارد. این یک نوع جدید از افزودنی های کاغذ سازی است که ارزش توسعه دارد.

1. طبقه بندی و روش های تهیه اترهای سلولزی

طبقه بندی اترهای سلولزی به طور کلی بر اساس یونی بودن به 4 دسته تقسیم می شود.

1.1 اتر سلولز غیر یونی

اتر سلولز غیر یونی عمدتاً آلکیل اتر سلولز است و روش تهیه آن به این صورت است که سلولز با NaOH واکنش داده و سپس واکنش اتریفیکاسیون با مونومرهای مختلف عملکردی مانند مونوکلرومتان، اتیلن اکسید، پروپیلن اکسید و غیره انجام می شود و سپس با شستشو به دست می آید. نمک فرعی و سدیم سلولز، عمدتا شامل متیل سلولز اتر، متیل هیدروکسی اتیل سلولز اتر، متیل هیدروکسی پروپیل سلولز اتر، اتر هیدروکسی اتیل سلولز، اتر سیانو اتیل سلولز و هیدروکسی بوتیل سلولز اتر به طور گسترده استفاده می شود.

1.2 اتر سلولز آنیونی

اترهای آنیونی سلولز عمدتاً سدیم کربوکسی متیل سلولز و سدیم کربوکسی متیل هیدروکسی اتیل سلولز هستند. روش آماده سازی واکنش سلولز با NaOH و سپس انجام اتر با اسید کلرواستیک، اکسید اتیلن و اکسید پروپیلن است. واکنش شیمیایی، و سپس با شستشوی محصول جانبی نمک و سدیم سلولز به دست می آید.

1.3 اتر سلولز کاتیونی

کاتیونی اترهای سلولز عمدتاً شامل اتر سلولز 3-کلرو-2-هیدروکسی پروپیل تری متیل آمونیوم کلرید است که از واکنش سلولز با NaOH و سپس واکنش با عامل اتریف کننده کاتیونی 3-کلرو-2-هیدروکسی پروپیل تری متیل آمونیوم کلرید و واکنش پروپیل آمونیوم با اکسیداسیون پروپیلن یا پروپیل اتر تهیه می شود. و سپس با شستشوی محصول جانبی نمک و سدیم سلولز به دست می آید.

1.4 اتر سلولز Zwitteronic

زنجیره مولکولی اتر سلولز زویتریونی دارای هر دو گروه آنیونی و کاتیونی است. روش تهیه آن واکنش سلولز با NaOH و سپس واکنش با اسید مونوکلرواستیک و عامل اتریفیکاسیون کاتیونی است.

2. عملکرد و ویژگی های اتر سلولز

2.1 تشکیل فیلم و چسبندگی

اتریفیکاسیون اتر سلولز تأثیر زیادی بر ویژگی ها و خواص آن مانند حلالیت، توانایی تشکیل فیلم، استحکام باند و مقاومت در برابر نمک دارد. اتر سلولزی دارای استحکام مکانیکی، انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر حرارت و سرما بوده و سازگاری خوبی با انواع رزین‌ها و نرم‌کننده‌ها دارد و می‌توان از آن در ساخت پلاستیک، فیلم، لاک، چسب، لاتکس و مواد پوشش دارویی و غیره استفاده کرد.

2.2 حلالیت

اتر سلولزی به دلیل وجود گروه‌های پلی هیدروکسیل، حلالیت خوبی در آب دارد و با توجه به جانشین‌های مختلف، گزینش حلال متفاوتی برای حلال‌های آلی دارد. متیل سلولز محلول در آب سرد، نامحلول در آب گرم، و همچنین محلول در برخی از حلال ها است. متیل هیدروکسی اتیل سلولز محلول در آب سرد، نامحلول در آب گرم و حلال های آلی است. با این حال، هنگامی که محلول آبی متیل سلولز و متیل هیدروکسی اتیل سلولز گرم می شود، متیل سلولز و متیل هیدروکسی اتیل سلولز رسوب می کنند. متیل سلولز در 45-60 رسوب می کند°C، در حالی که دمای رسوب متیل هیدروکسی اتیل سلولز مخلوط اتری شده به 80-65 افزایش یافته است.°ج. هنگامی که دما کاهش می یابد، رسوب دوباره حل می شود. هیدروکسی اتیل سلولز و سدیم کربوکسی متیل سلولز در هر دمایی در آب محلول و در حلال های آلی نامحلول هستند (به استثنای چند مورد). با استفاده از این خاصیت می توان انواع دافع روغن و مواد فیلم محلول را تهیه کرد.

2.3 ضخیم شدن

اتر سلولز به شکل کلوئید در آب حل می شود، ویسکوزیته آن به درجه پلیمریزاسیون اتر سلولز بستگی دارد و محلول حاوی ماکرومولکول های هیدراته است. به دلیل درهم تنیدگی درشت مولکول ها، رفتار جریان محلول ها با سیالات نیوتنی متفاوت است، اما رفتاری از خود نشان می دهد که با نیروی برشی تغییر می کند. به دلیل ساختار درشت مولکولی اتر سلولز، ویسکوزیته محلول با افزایش غلظت به سرعت افزایش می یابد و با افزایش دما به سرعت کاهش می یابد. با توجه به ویژگی های آن، اترهای سلولزی مانند کربوکسی متیل سلولز و هیدروکسی اتیل سلولز را می توان به عنوان غلیظ کننده برای مواد شیمیایی روزانه، عامل نگهدارنده آب برای پوشش های کاغذی و ضخیم کننده برای پوشش های معماری استفاده کرد.

2.4 تجزیه پذیری

هنگامی که اتر سلولز در فاز آب حل می شود، باکتری ها رشد می کنند و رشد باکتری ها منجر به تولید باکتری های آنزیمی می شود. آنزیم پیوندهای واحد انیدرگلوکز جایگزین نشده مجاور اتر سلولز را می شکند و وزن مولکولی نسبی پلیمر را کاهش می دهد. بنابراین اگر قرار است محلول آبی اتر سلولز برای مدت طولانی نگهداری شود، باید مواد نگهدارنده به آن اضافه شود و حتی برای اترهای سلولزی با خاصیت ضد باکتریایی نیز اقدامات ضد عفونی خاصی انجام شود.

3. کاربرد اتر سلولز در صنعت کاغذ

3.1 عامل تقویت کننده کاغذ

به عنوان مثال، CMC را می توان به عنوان یک پخش کننده الیاف و یک عامل تقویت کننده کاغذ استفاده کرد که می تواند به خمیر اضافه شود. از آنجایی که سدیم کربوکسی متیل سلولز دارای بار برابر با خمیر و ذرات پرکننده است، می تواند یکنواختی الیاف را افزایش دهد. اثر پیوند بین الیاف را می توان بهبود بخشید و شاخص های فیزیکی مانند استحکام کششی، مقاومت در برابر ترکیدگی و یکنواختی کاغذ را می توان بهبود بخشید. به عنوان مثال، Longzhu و دیگران از خمیر چوب سولفیت 100٪ سفید شده، 20٪ پودر تالک، 1٪ چسب رزین پراکنده استفاده می کنند، مقدار pH را با سولفات آلومینیوم روی 4.5 تنظیم می کنند و از CMC با ویسکوزیته بالاتر (ویسکوزیته 800 ~ 1200MPA.S) استفاده می کنند. تعویض 0.6 است. مشاهده می شود که CMC می تواند استحکام خشکی کاغذ را بهبود بخشد و همچنین درجه اندازه آن را بهبود بخشد.

3.2 عامل اندازه گیری سطح

سدیم کربوکسی متیل سلولز می تواند به عنوان عامل اندازه گیری سطح کاغذ برای بهبود استحکام سطح کاغذ استفاده شود. اثر کاربرد آن می تواند استحکام سطح را تا حدود 10٪ در مقایسه با استفاده فعلی از پلی وینیل الکل و عامل اندازه گیری نشاسته اصلاح شده افزایش دهد و دوز را می توان تا حدود 30٪ کاهش داد. این یک عامل اندازه‌گیری سطحی بسیار امیدوارکننده برای کاغذسازی است و این سری از گونه‌های جدید باید به طور فعال توسعه یابند. اتر سلولز کاتیونی عملکرد بهتری نسبت به نشاسته کاتیونی در اندازه گیری سطح دارد. این نه تنها می تواند استحکام سطح کاغذ را بهبود بخشد، بلکه عملکرد جذب جوهر کاغذ را نیز بهبود می بخشد و اثر رنگرزی را افزایش می دهد. همچنین یک عامل اندازه گیری سطح امیدوار کننده است. مو لیهوان و دیگران از سدیم کربوکسی متیل سلولز و نشاسته اکسید شده برای انجام آزمایش اندازه سطح روی کاغذ و مقوا استفاده کردند. نتایج نشان می دهد که CMC یک اثر اندازه سطح ایده آل دارد.

متیل کربوکسی متیل سلولز سدیم عملکرد اندازه‌گیری مشخصی دارد و کربوکسی متیل سلولز سدیم می‌تواند به عنوان عامل اندازه‌گیری خمیر کاغذ استفاده شود. اتر سلولز کاتیونی علاوه بر درجه اندازه‌گیری خاص خود، می‌تواند به عنوان یک فیلتر کمکی در ساخت کاغذ نیز استفاده شود، میزان ماندگاری الیاف و پرکننده‌ها را بهبود بخشد و همچنین می‌تواند به عنوان یک عامل تقویت کننده کاغذ استفاده شود.

3.3 تثبیت کننده امولسیون

اتر سلولز به دلیل اثر ضخیم کنندگی خوب آن در محلول آبی که می تواند ویسکوزیته محیط پخش امولسیونی را افزایش دهد و از رسوب امولسیون و لایه بندی جلوگیری کند، به طور گسترده در تهیه امولسیون استفاده می شود. مانند سدیم کربوکسی متیل سلولز، اتر هیدروکسی اتیل سلولز، اتر هیدروکسی پروپیل سلولز و غیره می تواند به عنوان تثبیت کننده و عوامل محافظ برای صمغ کلوفون پراکنده آنیونی، اتر سلولز کاتیونی، اتر هیدروکسی اتیل سلولز، هیدروکسی پروپیل سلولز سلولز اتر، سلولز سلولز هیدروکسی و غیره استفاده شود. اتر و غیره همچنین می توانند به عنوان عوامل محافظ برای صمغ رزین پراکنده کاتیونی، AKD، ASA و سایر عوامل اندازه گیری استفاده شوند. لانگژو و همکاران از خمیر چوب سولفیت 100٪ سفید شده، 20٪ پودر تالک، 1٪ چسب رزین پراکنده استفاده کرد، مقدار pH را با سولفات آلومینیوم روی 4.5 تنظیم کرد و از CMC با ویسکوزیته بالاتر (ویسکوزیته 800 ~ 12000MPA.S) استفاده کرد. درجه جایگزینی 0.6 است و برای اندازه گیری داخلی استفاده می شود. از نتایج می توان دریافت که درجه اندازه گیری لاستیک رزین حاوی CMC به وضوح بهبود یافته است و پایداری امولسیون رزین خوب است و میزان نگهداری مواد لاستیکی نیز بالا است.

3.4 پوشش عامل نگهدارنده آب

برای پوشش و پردازش بایندر پوشش کاغذ استفاده می شود، سیانو اتیل سلولز، هیدروکسی اتیل سلولز و غیره می تواند جایگزین کازئین و بخشی از لاتکس شود، به طوری که جوهر چاپ به راحتی می تواند نفوذ کند و لبه ها شفاف باشد. کربوکسی متیل سلولز و هیدروکسی اتیل کربوکسی متیل سلولز اتر را می توان به عنوان پخش کننده رنگدانه، غلیظ کننده، عامل حفظ آب و تثبیت کننده استفاده کرد. به عنوان مثال، میزان کربوکسی متیل سلولز به عنوان عامل نگهدارنده آب در تهیه پوشش های کاغذی پوشش داده شده 1-2 درصد است.

4. روند توسعه اتر سلولزی مورد استفاده در صنعت کاغذ

استفاده از اصلاحات شیمیایی برای به دست آوردن مشتقات سلولز با عملکردهای ویژه، راه موثری برای جستجوی کاربردهای جدید از بزرگترین بازده ماده آلی طبیعی سلولز در جهان است. انواع مختلفی از مشتقات سلولز و عملکردهای گسترده ای وجود دارد و اترهای سلولز به دلیل عملکرد عالی در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار گرفته اند. به منظور رفع نیازهای صنعت کاغذ، توسعه اتر سلولز باید به روندهای زیر توجه شود:

(1) تولید محصولات با مشخصات مختلف از اترهای سلولزی مناسب برای کاربردهای صنعت کاغذ، مانند محصولات سری با درجات مختلف جایگزینی، ویسکوزیته های مختلف و جرم های مولکولی نسبی متفاوت، برای انتخاب در تولید انواع کاغذ.

(2) توسعه انواع جدید اترهای سلولزی باید افزایش یابد، مانند اترهای سلولز کاتیونی مناسب برای حفظ و زهکشی کاغذسازی، عوامل اندازه‌دهنده سطح، و اترهای سلولز زویتریونی که می‌توانند به عنوان عوامل تقویت‌کننده برای جایگزینی لاتکس سیانو اتیل سلولز اتر مورد استفاده قرار گیرند. و مانند آن به عنوان چسب.

(3) تقویت تحقیقات در مورد فرآیند تهیه اتر سلولز و روش جدید تهیه آن، به ویژه تحقیقات در مورد کاهش هزینه و ساده سازی فرآیند.

(4) تقویت تحقیقات در مورد خواص اترهای سلولز، به ویژه خواص تشکیل فیلم، خواص پیوند و ضخیم شدن اترهای سلولزی مختلف، و تقویت تحقیقات نظری در مورد کاربرد اترهای سلولز در کاغذسازی.