Celulozni eter v papirni industriji

Ta članek predstavlja vrste, metode priprave, značilnosti delovanja in status uporabe celuloznih etrov v papirni industriji, predlaga nekatere nove sorte celuloznih etrov z obeti za razvoj ter razpravlja o njihovi uporabi in trendu razvoja v papirništvu.

Ključne besede:celulozni eter; uspešnost; papirna industrija

Celuloza je naravna polimerna spojina, njena kemijska zgradba je polisaharidna makromolekula z brezvodnimβ-glukoza kot osnovni obroč in vsak osnovni obroč ima primarno hidroksilno skupino in sekundarno hidroksilno skupino. Z njegovo kemično modifikacijo je mogoče dobiti vrsto celuloznih derivatov. Metoda priprave celuloznega etra je, da celulozo reagiramo z NaOH, nato izvedemo reakcijo eterifikacije z različnimi funkcionalnimi reaktanti, kot so metil klorid, etilen oksid, propilen oksid itd., in nato izperemo sol stranskega produkta in nekaj natrijeve celuloze, da dobimo izdelek. Celulozni eter je eden od pomembnih derivatov celuloze, ki se lahko široko uporablja v medicini in higieni, vsakodnevni kemični industriji, proizvodnji papirja, hrani, medicini, gradbeništvu, industriji materialov in drugih industrijah. V zadnjih letih je tujina pripisala velik pomen njenim raziskavam in veliko dosežkov je bilo doseženih v aplikativnih temeljnih raziskavah, uporabnih praktičnih učinkih in pripravi. V zadnjih letih so se nekateri ljudje na Kitajskem postopoma začeli vključevati v raziskave tega vidika in sprva dosegli nekaj rezultatov v proizvodni praksi. Zato imata razvoj in uporaba celuloznega etra zelo pomembno vlogo pri celoviti uporabi obnovljivih bioloških virov ter izboljšanju kakovosti in učinkovitosti papirja. Gre za novo vrsto dodatkov za izdelavo papirja, ki jih je vredno razviti.

1. Razvrstitev in metode priprave celuloznih etrov

Razvrstitev celuloznih etrov je na splošno razdeljena v 4 kategorije glede na ionskost.

1.1 Neionski celulozni eter

Neionski celulozni eter je predvsem celulozni alkil eter, njegova metoda priprave pa je reakcija celuloze z NaOH in nato izvedba reakcije eterifikacije z različnimi funkcionalnimi monomeri, kot so monoklorometan, etilen oksid, propilen oksid itd., in nato pridobljena s pranjem sol stranskega proizvoda in natrijeva celuloza, ki v glavnem vključuje metil celulozni eter, metil hidroksietil celulozni eter, metil hidroksipropil celulozni eter, hidroksietil celulozni eter, cianoetil celulozni eter in hidroksibutil celulozni eter, se pogosto uporabljajo.

1.2 Anionski celulozni eter

Anionski celulozni etri so predvsem natrijeva karboksimetil celuloza in natrijeva karboksimetil hidroksietil celuloza. Metoda priprave je reakcija celuloze z NaOH in nato izvedba etra s kloroocetno kislino, etilen oksidom in propilen oksidom. Kemična reakcija in nato pridobljena s pranjem stranskega produkta sol in natrijeva celuloza.

1.3 Kationski celulozni eter

Kationski celulozni etri v glavnem vključujejo 3-kloro-2-hidroksipropiltrimetilamonijev klorid celulozni eter, ki se pripravi z reakcijo celuloze z NaOH in nato reakcijo s kationskim sredstvom za eteriranje 3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonijevim kloridom ali reakcijo eterifikacije z etilen oksidom in propilen oksidom, in nato dobljeno z izpiranjem stranskega produkta soli in natrijeve celuloze.

1.4 Zwitterionski celulozni eter

Molekularna veriga zwitterionskega celuloznega etra ima anionske in kationske skupine. Metoda njegove priprave je reakcija celuloze z NaOH in nato reakcija z monokloroocetno kislino in kationskim sredstvom za eterifikacijo. 3-kloro-2-hidroksipropil trimetilamonijev klorid se eterificira in nato dobi z izpiranjem soli stranskega produkta in natrijeve celuloze.

2. Delovanje in lastnosti celuloznega etra

2.1 Tvorba filma in oprijem

Eterifikacija celuloznega etra ima velik vpliv na njegove značilnosti in lastnosti, kot so topnost, sposobnost tvorjenja filma, trdnost vezi in odpornost na sol. Celulozni eter ima visoko mehansko trdnost, prožnost, odpornost na toploto in mraz ter je dobro združljiv z različnimi smolami in mehčali ter se lahko uporablja za izdelavo plastike, filmov, lakov, lepil, lateksa in premaznih materialov itd.

2.2 Topnost

Celulozni eter je zaradi obstoja polihidroksilnih skupin dobro topen v vodi in ima različno selektivnost topila za organska topila glede na različne substituente. Metilceluloza je topna v hladni vodi, netopna v vroči vodi in tudi topna v nekaterih topilih; metil hidroksietil celuloza je topna v hladni vodi, netopna v vroči vodi in organskih topilih. Ko pa vodno raztopino metilceluloze in metilhidroksietilceluloze segrejemo, se bosta metilceluloza in metilhidroksietilceluloza oborili. Metil celuloza se obori pri 45-60°C, medtem ko se temperatura obarjanja mešane eterificirane metil hidroksietil celuloze poveča na 65-80°C. Ko temperaturo znižamo, se oborina ponovno raztopi. Hidroksietilceluloza in natrijeva karboksimetilceluloza sta topni v vodi pri kateri koli temperaturi in netopni v organskih topilih (z nekaj izjemami). Z uporabo te lastnosti je mogoče pripraviti različne oljne repelente in topne filmske materiale.

2.3 Zgostitev

Celulozni eter je v vodi raztopljen v obliki koloida, njegova viskoznost je odvisna od stopnje polimerizacije celuloznega etra, raztopina pa vsebuje hidratirane makromolekule. Zaradi prepletenosti makromolekul se obnašanje toka raztopin razlikuje od obnašanja newtonskih tekočin, vendar kaže obnašanje, ki se spreminja s strižno silo. Zaradi makromolekularne zgradbe celuloznega etra viskoznost raztopine hitro narašča z naraščanjem koncentracije in hitro pada z naraščanjem temperature. Glede na svoje značilnosti se lahko celulozni etri, kot sta karboksimetil celuloza in hidroksietil celuloza, uporabljajo kot zgoščevalci za dnevne kemikalije, sredstva za zadrževanje vode za papirne premaze in zgoščevalci za arhitekturne premaze.

2.4 Razgradljivost

Ko se celulozni eter raztopi v vodni fazi, bodo bakterije rasle, rast bakterij pa bo povzročila proizvodnjo encimskih bakterij. Encim prekine nesubstituirane anhidroglukozne enotne vezi, ki mejijo na celulozni eter, in tako zmanjša relativno molekulsko maso polimera. Če naj bi se vodna raztopina celuloznega etra hranila dlje časa, ji je torej treba dodati konzervanse in tudi za celulozne etre z antibakterijskimi lastnostmi izvesti določene antiseptične ukrepe.

3. Uporaba celuloznega etra v papirni industriji

3.1 Sredstvo za utrjevanje papirja

Na primer, CMC se lahko uporablja kot dispergator za vlakna in sredstvo za utrjevanje papirja, ki se lahko doda celulozi. Ker ima natrijeva karboksimetil celuloza enak naboj kot celuloza in delci polnila, lahko poveča enakomernost vlaken. Učinek lepljenja med vlakni je mogoče izboljšati in izboljšati fizikalne kazalnike, kot so natezna trdnost, razpočna trdnost in enakomernost papirja. Na primer, Longzhu in drugi uporabljajo 100 % beljeno sulfitno lesno celulozo, 20 % smukec, 1 % dispergirano kolofonovo lepilo, prilagodijo pH vrednost na 4,5 z aluminijevim sulfatom in uporabljajo CMC z višjo viskoznostjo (viskoznost 800 ~ 1200 MPA.S) Stopnja zamenjave je 0,6. Vidimo lahko, da lahko CMC izboljša suho trdnost papirja in tudi izboljša njegovo stopnjo lepljenja.

3.2 Sredstvo za lepljenje površin

Natrijeva karboksimetil celuloza se lahko uporablja kot sredstvo za lepljenje površine papirja za izboljšanje površinske trdnosti papirja. Njegov učinek uporabe lahko poveča površinsko trdnost za približno 10% v primerjavi s trenutno uporabo polivinilalkohola in modificiranega škrobnega lepila, odmerek pa je mogoče zmanjšati za približno 30%. Je zelo obetavno sredstvo za površinsko klejenje za izdelavo papirja, zato je treba to serijo novih sort aktivno razvijati. Kationski celulozni eter ima boljšo zmogljivost površinske velikosti kot kationski škrob. Ne samo da lahko izboljša površinsko trdnost papirja, ampak tudi izboljša zmogljivost vpijanja črnila papirja in poveča učinek barvanja. Je tudi obetavno sredstvo za površinsko lepljenje. Mo Lihuan in drugi so uporabili natrijevo karboksimetil celulozo in oksidiran škrob za izvedbo testov velikosti površine na papirju in kartonu. Rezultati kažejo, da ima CMC idealen učinek velikosti površine.

Natrijeva metil karboksimetil celuloza ima določeno zmogljivost kleščenja, natrijeva karboksimetil celuloza pa se lahko uporablja kot sredstvo za klejenje celuloze. Kationski celulozni eter se poleg lastne stopnje dimenzioniranja lahko uporablja tudi kot filter za pomoč pri zadrževanju papirja, izboljša stopnjo zadrževanja finih vlaken in polnil ter se lahko uporablja tudi kot sredstvo za krepitev papirja.

3.3 Stabilizator emulzije

Celulozni eter se pogosto uporablja pri pripravi emulzij zaradi dobrega učinka zgoščevanja v vodni raztopini, ki lahko poveča viskoznost emulzijskega disperzijskega medija in prepreči obarjanje in stratifikacijo emulzije. Kot so natrijeva karboksimetil celuloza, hidroksietil celulozni eter, hidroksipropil celulozni eter itd., se lahko uporabljajo kot stabilizatorji in zaščitna sredstva za anionsko dispergirano kolofonovo gumo, kationski celulozni eter, hidroksietil celulozni eter, hidroksipropil celulozni eter itd. Osnovni celulozni eter, metil celuloza eter itd. se lahko uporabljajo tudi kot zaščitna sredstva za kationsko dispergirano kolofonovo gumo, AKD, ASA in druga sredstva za lepljenje. Longzhu et al. uporabili 100 % beljene sulfitne lesne celuloze, 20 % smukca, 1 % dispergiranega kolofonijevega lepila, prilagodili pH vrednost na 4,5 z aluminijevim sulfatom in uporabili višjo viskoznost CMC (viskoznost 800~12000MPA.S). Stopnja zamenjave je 0,6 in se uporablja za notranje dimenzioniranje. Iz rezultatov je razvidno, da je stopnja oblikovanja kolofonije, ki vsebuje CMC, očitno izboljšana, stabilnost kolofonijeve emulzije je dobra, stopnja zadrževanja gumijastega materiala pa je prav tako visoka.

3.4 Sredstvo za zadrževanje vode v premazu

Uporablja se za premazovanje in obdelavo veziva za premazovanje papirja, cianoetil celuloza, hidroksietil celuloza itd. lahko nadomestijo kazein in del lateksa, tako da lahko tiskarska barva zlahka prodre in so robovi jasni. Karboksimetil celuloza in hidroksietil karboksimetil celulozni eter se lahko uporabljata kot pigmentni dispergator, zgoščevalec, sredstvo za zadrževanje vode in stabilizator. Na primer, količina karboksimetil celuloze, ki se uporablja kot sredstvo za zadrževanje vode pri pripravi premazov za premazani papir, je 1-2 %.

4. Trend razvoja celuloznega etra, ki se uporablja v papirni industriji

Uporaba kemične modifikacije za pridobivanje celuloznih derivatov s posebnimi funkcijami je učinkovit način za iskanje novih načinov uporabe največjega svetovnega izkoristka naravne organske snovi – celuloze. Obstaja veliko vrst celuloznih derivatov in širokih funkcij, celulozni etri pa se uporabljajo v številnih panogah zaradi njihove odlične učinkovitosti. Da bi zadovoljili potrebe papirne industrije, bi moral biti razvoj celuloznega etra pozoren na naslednje trende:

(1) Razviti različne specifikacijske izdelke celuloznih etrov, primerne za aplikacije v papirni industriji, kot so serijski izdelki z različnimi stopnjami substitucije, različnimi viskoznostmi in različnimi relativnimi molekulskimi masami, za izbiro pri proizvodnji različnih vrst papirja.

(2) Povečati bi bilo treba razvoj novih vrst celuloznih etrov, kot so kationski celulozni etri, primerni za zadrževanje in drenažo pri izdelavi papirja, sredstva za površinsko lepljenje in zwitterionski celulozni etri, ki se lahko uporabljajo kot ojačevalna sredstva za zamenjavo premaznega lateksa, cianoetil celuloznega etra in podobno kot vezivo.

(3) Okrepiti raziskave postopka priprave celuloznega etra in njegove nove metode priprave, zlasti raziskave znižanja stroškov in poenostavitve postopka.

(4) Okrepiti raziskave o lastnostih celuloznih etrov, zlasti o lastnostih tvorjenja filma, lastnostih lepljenja in lastnostih zgoščevanja različnih celuloznih etrov, ter okrepiti teoretične raziskave o uporabi celuloznih etrov v izdelavi papirja.