אתר תאית בתעשיית הנייר

מאמר זה מציג את הסוגים, שיטות ההכנה, מאפייני הביצועים ומצב היישום של אתרי תאית בתעשיית ייצור הנייר, מציג כמה זנים חדשים של אתרי תאית עם סיכויי פיתוח, ודן במגמת היישום והפיתוח שלהם בייצור נייר.

מילות מפתח:אתר תאית; ביצועים; תעשיית הנייר

תאית היא תרכובת פולימר טבעית, המבנה הכימי שלה הוא מקרומולקולת פוליסכריד עם מים נטול מיםβ-גלוקוז כטבעת הבסיס, ולכל טבעת בסיס יש קבוצת הידרוקסיל ראשונית וקבוצת הידרוקסיל משנית. באמצעות השינוי הכימי שלו, ניתן להשיג סדרה של נגזרות תאית. שיטת ההכנה של אתר תאית היא להגיב תאית עם NaOH, לאחר מכן לבצע תגובת האתרה עם מגיבים פונקציונליים שונים כגון מתיל כלוריד, אתילן אוקסיד, פרופילן אוקסיד וכו', ולאחר מכן לשטוף את מלח תוצר הלוואי וקצת נתרן תאית כדי להשיג המוצר. אתר תאית הוא אחת הנגזרות החשובות של תאית, אשר ניתן לשימוש נרחב ברפואה והיגיינה, בתעשייה כימית יומיומית, בייצור נייר, במזון, ברפואה, בבנייה, בחומרים ובתעשיות אחרות. בשנים האחרונות ייחסו מדינות זרות חשיבות רבה למחקריה, והושגו הישגים רבים במחקר בסיסי יישומי, השפעות מעשיות יישומיות והכנה. בשנים האחרונות, כמה אנשים בסין החלו בהדרגה להיות מעורבים במחקר של היבט זה, והשיגו בתחילה כמה תוצאות בפרקטיקה של הייצור. לפיכך, הפיתוח והניצול של אתר תאית ממלא תפקיד חשוב מאוד בניצול מקיף של משאבים ביולוגיים מתחדשים ושיפור איכות הנייר והביצועים. זהו סוג חדש של תוספים לייצור נייר שכדאי לפתח.

1. שיטות סיווג והכנה של אתרי תאית

הסיווג של אתרי תאית מחולק בדרך כלל ל-4 קטגוריות לפי יוניות.

1.1 אתר תאית לא-ניוני

אתר תאית לא-יוני הוא בעיקר אלקיל תאית, ושיטת ההכנה שלו היא להגיב תאית עם NaOH, ולאחר מכן לבצע תגובת אתריפיקציה עם מונומרים פונקציונליים שונים כגון מונוכלורומתאן, תחמוצת אתילן, תחמוצת פרופילן וכו', ולאחר מכן מתקבלת על ידי כביסה. תוצר הלוואי של מלח ונתרן תאית, כולל בעיקר מתיל תאית אתר, מתיל הידרוקסיאתיל תאית אתר, מתיל הידרוקסיפרופיל תאית אתר, אתר תאית הידרוקסיאתיל, אתר תאית ציאנואתיל ואתר תאית הידרוקסיבוטיל נמצאים בשימוש נרחב.

1.2 אתר תאית אניוני

אתרי תאית אניוניים הם בעיקר תאית נתרן קרבוקסימתיל ותאית נתרן קרבוקסימתיל הידרוקסיאתיל. שיטת ההכנה היא להגיב תאית עם NaOH ולאחר מכן לבצע אתר עם חומצה כלורואצטית, אתילן אוקסיד ופרופילן אוקסיד. תגובה כימית, ולאחר מכן מתקבלת על ידי שטיפת תוצר הלוואי מלח ותאית נתרן.

1.3 אתר תאית קטיוני

קטיונית אתרי תאית כוללים בעיקר 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride cellulose ether, המוכן על ידי תגובה של תאית עם NaOH ולאחר מכן תגובה עם חומר מאתר קטיוני 3-כלורו-2-הידרוקסיפרופיל טרימתיל אמוניום כלוריד או תגובת אתריפיקציה עם תחמוצת אתילן ופרופילן אוקסיד, ולאחר מכן מתקבל על ידי שטיפת תוצר הלוואי מלח ותאית נתרן.

1.4 אתר תאית זוויטריוני

לשרשרת המולקולרית של אתר תאית זוויטריוני יש גם קבוצות אניוניות וגם קבוצות קטיוניות. שיטת ההכנה שלו היא להגיב תאית עם NaOH ולאחר מכן להגיב עם חומצה מונוכלורואצטית וחומר האתרה קטיוני 3-כלורו-2-הידרוקסיפרופיל טרימתיל-אמוניום כלוריד הוא מאתר, ולאחר מכן מתקבל על ידי שטיפת מלח תוצר הלוואי ותאית נתרן.

2. ביצועים ומאפיינים של אתר תאית

2.1 יצירת סרט והידבקות

להאתרה של אתר תאית יש השפעה רבה על מאפייניו ותכונותיו, כגון מסיסות, יכולת יצירת סרט, חוזק קשר ועמידות למלח. לאתר תאית יש חוזק מכני גבוה, גמישות, עמידות בחום ועמידות בפני קור, ובעל תאימות טובה לשרף ולחומרי פלסטיק שונים, וניתן להשתמש בו לייצור פלסטיק, סרטים, לכות, דבקים, לטקס וחומרי ציפוי לתרופות וכו'.

2.2 מסיסות

לאתר התאית מסיסות מים טובה עקב קיומן של קבוצות פולידוקסיל, ובעל סלקטיביות ממס שונה לממסים אורגניים לפי תחליפים שונים. מתילצלולוזה מסיס במים קרים, בלתי מסיס במים חמים, וגם מסיס בממיסים מסוימים; מתיל הידרוקסיאתיל תאית מסיס במים קרים, בלתי מסיס במים חמים וממיסים אורגניים. עם זאת, כאשר התמיסה המימית של מתיל-צלולוזה ומתיל-הידרוקסי-אתיל-צלולוזה מחוממת, מתיל-צלולוז ומתיל-הידרוקסי-אתיל-צלולוזה ימוקעו. מתיל תאית מושקע ב 45-60°C, בעוד טמפרטורת המשקעים של תאית מתיל הידרוקסיאתיל מעורבת מוגברת ל-65-80°ג כאשר הטמפרטורה יורדת, המשקעים מתמוססים מחדש. הידרוקסיאתילצלולוזה ונתרן קרבוקסימתילצלולוזה מסיסים במים בכל טמפרטורה ואינם מסיסים בממיסים אורגניים (עם כמה יוצאי דופן). באמצעות תכונה זו, ניתן להכין דוחי שמן וחומרי סרט מסיסים שונים.

2.3 עיבוי

אתר התאית מומס במים בצורה של קולואיד, צמיגותו תלויה במידת הפילמור של אתר תאית, והתמיסה מכילה מקרומולקולות לחות. עקב הסתבכות של מקרומולקולות, התנהגות הזרימה של תמיסות שונה מזו של נוזלים ניוטוניים, אך היא מציגה התנהגות המשתנה עם כוח הגזירה. בשל המבנה המקרומולקולרי של אתר תאית, צמיגות התמיסה עולה במהירות עם עליית הריכוז ויורדת במהירות עם עליית הטמפרטורה. על פי מאפייניו, אתרים של תאית כגון תאית קרבוקסימטיל ותאית הידרוקסיאתיל יכולים לשמש כחומרי עיבוי לכימיקלים יומיומיים, חומרים שומרי מים לציפוי נייר ומעבים לציפויים אדריכליים.

2.4 התכלות

כאשר אתר תאית מומס בשלב המים, יגדלו חיידקים, וצמיחת החיידקים תוביל לייצור חיידקי אנזים. האנזים מפרק את קשרי יחידת האנהידרוגלוקוז הבלתי מוחלפים הסמוכים לאתר התאית, ומפחית את המשקל המולקולרי היחסי של הפולימר. לכן, אם יש לאחסן את התמיסה המימית של אתר תאית לאורך זמן, יש להוסיף לה חומרים משמרים ולנקוט באמצעי חיטוי מסוימים גם עבור אתרי תאית בעלי תכונות אנטיבקטריאליות.

3. יישום אתר תאית בתעשיית הנייר

3.1 חומר חיזוק נייר

לדוגמה, CMC יכול לשמש כחומר מפיץ סיבים וכחומר לחיזוק נייר, שניתן להוסיף לעיסה. מכיוון שלנתרן קרבוקסימיל תאית יש אותו מטען כמו חלקיקי העיסה וחומר המילוי, זה יכול להגביר את אחידות הסיבים. ניתן לשפר את אפקט ההתקשרות בין סיבים, וניתן לשפר מדדים פיזיים כגון חוזק מתיחה, חוזק התפרצות ואחידות הנייר של הנייר. לדוגמה, Longzhu ואחרים משתמשים ב-100% עיסת עץ סולפיט מולבן, 20% אבקת טלק, 1% דבק רוזין מפוזר, מתאימים את ערך ה-pH ל-4.5 עם אלומיניום סולפט, ומשתמשים ב-CMC עם צמיגות גבוהה יותר (צמיגות 800~1200MPA.S) הדרגה ההחלפה היא 0.6. ניתן לראות ש-CMC יכול לשפר את החוזק היבש של הנייר וגם לשפר את מידת הגודל שלו.

3.2 חומר גודל משטח

ניתן להשתמש בתאית נתרן קרבוקסי-מתיל כחומר לגודל משטח נייר כדי לשפר את חוזק פני השטח של הנייר. השפעת היישום שלו יכולה להגביר את חוזק פני השטח בכ-10% בהשוואה לשימוש הנוכחי של אלכוהול פוליוויניל וחומר התאמה של עמילן שונה, וניתן להפחית את המינון בכ-30%. זהו חומר מבטיח מאוד לסילוק משטח לייצור נייר, ויש לפתח באופן פעיל סדרה זו של זנים חדשים. לאתר תאית קטיוני יש ביצועי גודל משטח טובים יותר מאשר עמילן קטיוני. זה לא רק יכול לשפר את חוזק פני השטח של נייר, אלא גם לשפר את ביצועי ספיגת הדיו של נייר ולהגדיל את אפקט הצביעה. זהו גם חומר מבטיח לגודל משטח. Mo Lihuan ואחרים השתמשו בתאית נתרן קרבוקסי-מתיל ועמילן מחומצן כדי לבצע בדיקות גודל משטח על נייר וקרטון. התוצאות מראות של-CMC יש אפקט אידיאלי לגודל משטח.

לנתרן מתיל קרבוקסימתיל תאית יש ביצועי מידה מסוימים, וניתן ניתן להשתמש בנתרן של תאית carboxymethyl כחומר לגודל עיסת. בנוסף לדרגת גודל משלו, אתר תאית קטיוני יכול לשמש גם כמסנן עזר לייצור נייר, לשפר את קצב השמירה של סיבים עדינים וחומרי מילוי, והוא יכול לשמש גם כחומר לחיזוק נייר.

3.3 מייצב אמולסיה

אתר תאית נמצא בשימוש נרחב בהכנת אמולסיה בגלל אפקט העיבוי הטוב שלו בתמיסה מימית, שיכול להגביר את הצמיגות של מדיום פיזור אמולסיה ולמנוע משקעים וריבוד של אמולסיה. כגון נתרן קרבוקסימתיל תאית, hydroxyethyl cellulose ether, hydroxypropyl cellulose ether, וכו' יכולים לשמש כמייצבים וחומרי הגנה עבור מסטיק רוזין מפוזר אניוני, אתר תאית קטיוני, hydroxyethyl cellulose ether, hydroxypropyl cellulose ether, וכו'. אתר וכו' יכול לשמש גם כחומרי הגנה עבור מסטיק רוזין מתפזר קטיוני, AKD, ASA וחומרי גודל אחרים. Longzhu et al. השתמשו בעיסת עץ סולפיט מולבן 100%, אבקת טלק 20%, דבק רוזין מפוזר 1%, התאימו את ערך ה-pH ל-4.5 עם אלומיניום גופרתי, והשתמשו ב-CMC עם צמיגות גבוהה יותר (צמיגות 800~12000MPA.S). דרגת ההחלפה היא 0.6, והיא משמשת לשינוי גודל פנימי. ניתן לראות מהתוצאות שמידת הגודל של גומי הרוזין המכיל CMC השתפרה ללא ספק, ויציבות אמולסיית הרוזין טובה, וגם קצב השמירה של חומר הגומי גבוה.

3.4 חומר שומר מים לציפוי

הוא משמש לציפוי ועיבוד קלסר לציפוי נייר, תאית ציאנואתיל, תאית הידרוקסיאתיל וכו' יכול להחליף קזאין וחלק מלטקס, כך שדיו להדפסה יכול לחדור בקלות והקצוות ברורים. ניתן להשתמש ב-Carboxymethyl cellulose ואתר hydroxyethyl carboxymethyl cellulose כחומר מפיץ פיגמנט, מעבה, חומר שמירת מים ומייצב. לדוגמה, כמות תאית קרבוקסימטיל המשמשת כחומר שומר מים בהכנת ציפויי נייר מצופים היא 1-2%.

4. מגמת פיתוח של אתר תאית בשימוש בתעשיית הנייר

השימוש בשינוי כימי להשגת נגזרות תאית עם פונקציות מיוחדות הוא דרך יעילה לחפש שימושים חדשים בתפוקה הגדולה בעולם של חומר אורגני טבעי-תאית. ישנם סוגים רבים של נגזרות תאית ופונקציות רחבות, ואתרי תאית יושמו בתעשיות רבות בשל הביצועים המצוינים שלהם. על מנת לענות על הצרכים של תעשיית הנייר, פיתוח אתר תאית צריך לשים לב למגמות הבאות:

(1) לפתח מוצרי מפרט שונים של אתרי תאית המתאימים ליישומי תעשיית הנייר, כגון מוצרי סדרה עם דרגות החלפה שונות, צמיגות שונות ומסות מולקולריות יחסיות שונות, לבחירה בייצור של זני נייר שונים.

(2) יש להגביר את הפיתוח של זנים חדשים של אתרי תאית, כגון אתרי תאית קטיוניים המתאימים לעזרי שמירה וניקוז נייר, חומרי גודל משטחים, ואתרים תאית צוויטריוניים שיכולים לשמש כחומרי חיזוק להחלפת ציפוי לטקס ציאנואתיל תאית אתר וכדומה כקלסר.

(3) לחזק את המחקר על תהליך ההכנה של אתר תאית ושיטת ההכנה החדשה שלו, במיוחד את המחקר על הפחתת העלות ופישוט התהליך.

(4) לחזק את המחקר על תכונות אתרי תאית, במיוחד את תכונות יצירת הסרט, תכונות החיבור ותכונות העיבוי של אתרי תאית שונים, ולחזק את המחקר התיאורטי על יישום אתרי תאית בייצור נייר.