เซลลูโลสอีเทอร์ในอุตสาหกรรมกระดาษ

บทความนี้จะแนะนำประเภท วิธีการเตรียม คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ และสถานะการใช้เซลลูโลสอีเทอร์ในอุตสาหกรรมการผลิตกระดาษ นำเสนอเซลลูโลสอีเทอร์สายพันธุ์ใหม่ๆ ที่มีโอกาสในการพัฒนา และอภิปรายเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้และแนวโน้มการพัฒนาในการผลิตกระดาษ

คำสำคัญ:เซลลูโลสอีเทอร์; ผลงาน; อุตสาหกรรมกระดาษ

เซลลูโลสเป็นสารประกอบโพลีเมอร์ตามธรรมชาติ โครงสร้างทางเคมีของมันคือโมเลกุลขนาดใหญ่โพลีแซ็กคาไรด์ที่ไม่มีน้ำβ-กลูโคสเป็นวงแหวนฐาน และแต่ละวงแหวนฐานมีหมู่ไฮดรอกซิลหลักและกลุ่มไฮดรอกซิลรอง ด้วยการดัดแปลงทางเคมี จึงสามารถได้รับอนุพันธ์ของเซลลูโลสหลายชุด วิธีการเตรียมเซลลูโลสอีเทอร์คือการทำปฏิกิริยาเซลลูโลสกับ NaOH จากนั้นทำปฏิกิริยาเอริฟิเคชันกับสารตั้งต้นเชิงฟังก์ชันต่างๆ เช่น เมทิลคลอไรด์ เอทิลีนออกไซด์ โพรพิลีนออกไซด์ ฯลฯ จากนั้นล้างเกลือผลพลอยได้และโซเดียมเซลลูโลสบางส่วนเพื่อให้ได้ ผลิตภัณฑ์ เซลลูโลสอีเทอร์เป็นหนึ่งในอนุพันธ์ที่สำคัญของเซลลูโลส ซึ่งสามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการแพทย์และสุขอนามัย อุตสาหกรรมเคมีรายวัน การผลิตกระดาษ อาหาร ยา การก่อสร้าง วัสดุ และอุตสาหกรรมอื่น ๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ประเทศต่างประเทศให้ความสำคัญกับการวิจัยเป็นอย่างมาก และประสบความสำเร็จมากมายในด้านการวิจัยขั้นพื้นฐานประยุกต์ ผลในทางปฏิบัติที่ประยุกต์ใช้ และการเตรียมการ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ผู้คนในประเทศจีนบางส่วนเริ่มมีส่วนร่วมในการวิจัยในด้านนี้ และได้บรรลุผลบางประการในการปฏิบัติงานด้านการผลิตในช่วงแรก ดังนั้นการพัฒนาและการใช้ประโยชน์จากเซลลูโลสอีเทอร์จึงมีบทบาทสำคัญมากในการใช้ประโยชน์ทรัพยากรชีวภาพหมุนเวียนอย่างครอบคลุม รวมถึงการปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพของกระดาษ เป็นสารเติมแต่งสำหรับทำกระดาษชนิดใหม่ที่ควรค่าแก่การพัฒนา

1. การจำแนกประเภทและการเตรียมเซลลูโลสอีเทอร์

โดยทั่วไปการจำแนกประเภทของเซลลูโลสอีเทอร์จะแบ่งออกเป็น 4 ประเภทตามความเป็นไอออน

1.1 เซลลูโลสอีเทอร์แบบไม่มีประจุ

เซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกส่วนใหญ่เป็นเซลลูโลสอัลคิลอีเทอร์ และวิธีการเตรียมคือการทำปฏิกิริยาเซลลูโลสกับ NaOH จากนั้นจึงทำปฏิกิริยาเอเทอริฟิเคชันกับโมโนเมอร์เชิงฟังก์ชันต่างๆ เช่น โมโนคลอโรมีเทน เอทิลีนออกไซด์ โพรพิลีนออกไซด์ ฯลฯ จากนั้นจึงได้มาจากการล้าง เกลือผลพลอยได้และโซเดียมเซลลูโลสส่วนใหญ่รวมถึงเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์, เมทิลไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์, เมทิลไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสอีเทอร์, ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์, ไซยาโนเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์และไฮดรอกซีบิวทิลเซลลูโลสอีเทอร์ใช้กันอย่างแพร่หลาย

1.2 เซลลูโลสอีเทอร์ประจุลบ

ประจุลบเซลลูโลสอีเทอร์ส่วนใหญ่เป็นโซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสและโซเดียมคาร์บอกซีเมทิลไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส วิธีเตรียมคือทำปฏิกิริยาเซลลูโลสกับ NaOH จากนั้นนำอีเทอร์ไปใช้กับกรดคลอโรอะซิติก เอทิลีนออกไซด์ และโพรพิลีนออกไซด์ ปฏิกิริยาเคมีแล้วได้จากการล้างเกลือผลพลอยได้และโซเดียมเซลลูโลส

1.3 ประจุบวกเซลลูโลสอีเทอร์

ประจุบวก เซลลูโลสอีเทอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วย 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride เซลลูโลสอีเทอร์ซึ่งเตรียมโดยการทำปฏิกิริยาเซลลูโลสกับ NaOH แล้วทำปฏิกิริยากับสารอีเทอร์ริฟายอิ้งประจุบวก 3-chloro-2-hydroxypropyl Trimethyl ammonium chloride หรือปฏิกิริยาอีเทอร์ริฟิเคชันกับเอทิลีนออกไซด์และโพรพิลีนออกไซด์ แล้วได้มาจากการล้างเกลือผลพลอยได้และโซเดียมเซลลูโลส

1.4 สวิตเตอร์ไอออนิกเซลลูโลสอีเทอร์

สายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลสอีเทอร์สวิตเตอร์ไอออนมีทั้งหมู่ประจุลบและหมู่ประจุบวก วิธีเตรียมคือทำปฏิกิริยาเซลลูโลสกับ NaOH จากนั้นทำปฏิกิริยากับกรดโมโนคลอโรอะซิติกและสารอีเทอร์ริฟิเคชั่นประจุบวก 3-คลอโร-2-ไฮดรอกซีโพรพิล ไตรเมทิลแอมโมเนียมคลอไรด์ถูกทำให้เป็นอีเทอร์ไฟด์ จากนั้นได้โดยการล้างเกลือผลพลอยได้และโซเดียมเซลลูโลส

2. ประสิทธิภาพและลักษณะของเซลลูโลสอีเทอร์

2.1 การสร้างและการยึดเกาะของฟิล์ม

การทำอีเทอร์ริฟิเคชั่นของเซลลูโลสอีเทอร์มีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณลักษณะและคุณสมบัติ เช่น ความสามารถในการละลาย ความสามารถในการสร้างฟิล์ม ความแข็งแรงของพันธะ และการต้านทานเกลือ เซลลูโลสอีเทอร์มีความแข็งแรงเชิงกล ความยืดหยุ่น ทนความร้อนและความเย็นสูง และมีความเข้ากันได้ดีกับเรซินและพลาสติไซเซอร์ต่างๆ และสามารถใช้ทำพลาสติก ฟิล์ม วาร์นิช กาว น้ำยาง และวัสดุเคลือบยา เป็นต้น

2.2 ความสามารถในการละลาย

เซลลูโลสอีเทอร์มีความสามารถในการละลายน้ำได้ดีเนื่องจากมีหมู่โพลีไฮดรอกซิล และมีค่าเลือกตัวทำละลายที่แตกต่างกันสำหรับตัวทำละลายอินทรีย์ตามส่วนประกอบย่อยที่ต่างกัน เมทิลเซลลูโลสละลายได้ในน้ำเย็น ไม่ละลายในน้ำร้อน และยังละลายได้ในตัวทำละลายบางชนิด เมทิลไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสละลายได้ในน้ำเย็น ไม่ละลายในน้ำร้อนและตัวทำละลายอินทรีย์ อย่างไรก็ตาม เมื่อสารละลายน้ำของเมทิลเซลลูโลสและเมทิลไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสถูกให้ความร้อน เมทิลเซลลูโลสและเมทิลไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสจะตกตะกอน เมทิลเซลลูโลสตกตะกอนที่ 45-60°C ในขณะที่อุณหภูมิการตกตะกอนของเซลลูโลสเมทิลไฮดรอกซีเอทิลผสมอีเทอร์ไฟด์เพิ่มขึ้นเป็น 65-80°C. เมื่ออุณหภูมิลดลง ตะกอนจะละลายอีกครั้ง ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสและโซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสละลายได้ในน้ำที่อุณหภูมิใดๆ และไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ (มีข้อยกเว้นบางประการ) ด้วยการใช้คุณสมบัตินี้ สามารถเตรียมสารไล่น้ำมันและวัสดุฟิล์มที่ละลายน้ำได้หลายชนิด

2.3 การทำให้หนาขึ้น

เซลลูโลสอีเทอร์ละลายในน้ำในรูปของคอลลอยด์ความหนืดของมันขึ้นอยู่กับระดับของการเกิดพอลิเมอไรเซชันของเซลลูโลสอีเทอร์และสารละลายประกอบด้วยโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีน้ำ เนื่องจากการพัวพันของโมเลกุลขนาดใหญ่ พฤติกรรมการไหลของสารละลายจึงแตกต่างจากของไหลของนิวตัน แต่แสดงพฤติกรรมที่เปลี่ยนแปลงไปตามแรงเฉือน เนื่องจากโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ของเซลลูโลสอีเทอร์ ความหนืดของสารละลายจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น และลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตามคุณลักษณะของมัน เซลลูโลสอีเทอร์ เช่น คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสและไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสสามารถใช้เป็นสารเพิ่มความข้นสำหรับสารเคมีรายวัน สารกักเก็บน้ำสำหรับการเคลือบกระดาษ และสารเพิ่มความข้นสำหรับการเคลือบสถาปัตยกรรม

2.4 ความสามารถในการย่อยสลาย

เมื่อเซลลูโลสอีเทอร์ละลายในระยะน้ำ แบคทีเรียจะเติบโต และการเติบโตของแบคทีเรียจะนำไปสู่การผลิตแบคทีเรียที่เป็นเอนไซม์ เอนไซม์จะทำลายพันธะของหน่วยแอนไฮโดรกลูโคสที่ไม่ถูกทดแทนที่อยู่ติดกับเซลลูโลสอีเทอร์ ซึ่งจะช่วยลดน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ของโพลีเมอร์ ดังนั้นหากต้องเก็บสารละลายน้ำเซลลูโลสอีเทอร์ไว้เป็นเวลานาน จะต้องเติมสารกันบูดลงไป และควรใช้มาตรการฆ่าเชื้อบางอย่างแม้แต่กับเซลลูโลสอีเทอร์ที่มีคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรีย

3. การใช้เซลลูโลสอีเทอร์ในอุตสาหกรรมกระดาษ

3.1 สารเสริมความแข็งแรงของกระดาษ

ตัวอย่างเช่น CMC สามารถใช้เป็นสารช่วยกระจายตัวของเส้นใยและสารเสริมความแข็งแรงของกระดาษ ซึ่งสามารถเติมลงในเยื่อกระดาษได้ เนื่องจากโซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสมีประจุเท่ากับอนุภาคของเยื่อและสารตัวเติม จึงสามารถเพิ่มความสมดุลของเส้นใยได้ สามารถปรับปรุงผลการยึดเกาะระหว่างเส้นใยได้ และสามารถปรับปรุงตัวบ่งชี้ทางกายภาพ เช่น ความต้านทานแรงดึง ความต้านทานการระเบิด และความสม่ำเสมอของกระดาษของกระดาษได้ ตัวอย่างเช่น Longzhu และบริษัทอื่นๆ ใช้เยื่อไม้ซัลไฟต์ฟอกขาว 100% แป้งฝุ่น 20% กาวขัดสนที่กระจายตัว 1% ปรับค่า pH เป็น 4.5 ด้วยอะลูมิเนียมซัลเฟต และใช้ CMC ที่มีความหนืดสูงขึ้น (ความหนืด 800~1200MPA.S) ระดับ ของการทดแทนคือ 0.6 จะเห็นได้ว่า CMC สามารถปรับปรุงความแข็งแรงแห้งของกระดาษและปรับปรุงระดับขนาดของกระดาษได้

3.2 ตัวแทนปรับขนาดพื้นผิว

โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสสามารถใช้เป็นสารปรับขนาดพื้นผิวกระดาษเพื่อปรับปรุงความแข็งแรงพื้นผิวของกระดาษ ผลการใช้งานสามารถเพิ่มความแข็งแรงพื้นผิวได้ประมาณ 10% เมื่อเทียบกับการใช้โพลีไวนิลแอลกอฮอล์และสารปรับขนาดแป้งดัดแปรในปัจจุบัน และสามารถลดขนาดยาได้ประมาณ 30% เป็นสารปรับขนาดพื้นผิวที่มีศักยภาพมากสำหรับการผลิตกระดาษ และกลุ่มพันธุ์ใหม่ๆ นี้ควรได้รับการพัฒนาอย่างจริงจัง ประจุบวกเซลลูโลสอีเทอร์มีประสิทธิภาพในการปรับขนาดพื้นผิวได้ดีกว่าแป้งประจุบวก ไม่เพียงแต่สามารถปรับปรุงความแข็งแรงพื้นผิวของกระดาษเท่านั้น แต่ยังปรับปรุงประสิทธิภาพการดูดซับหมึกของกระดาษและเพิ่มผลการย้อมสีอีกด้วย นอกจากนี้ยังเป็นตัวแทนปรับขนาดพื้นผิวที่มีแนวโน้มอีกด้วย Mo Lihuan และคนอื่นๆ ใช้โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสและแป้งออกซิไดซ์เพื่อทำการทดสอบขนาดพื้นผิวบนกระดาษและกระดาษแข็ง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า CMC มีผลในการกำหนดขนาดพื้นผิวในอุดมคติ

เมทิลคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสโซเดียมมีประสิทธิภาพในการปรับขนาดที่แน่นอน และคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสโซเดียมสามารถใช้เป็นสารปรับขนาดเยื่อกระดาษได้ นอกเหนือจากระดับขนาดของตัวเองแล้ว ประจุบวกเซลลูโลสอีเทอร์ยังสามารถใช้เป็นตัวกรองช่วยกักเก็บการผลิตกระดาษ ปรับปรุงอัตราการกักเก็บเส้นใยและตัวเติมละเอียด และยังสามารถใช้เป็นสารเสริมความแข็งแรงให้กับกระดาษได้อีกด้วย

3.3 สารทำให้คงตัวแบบอิมัลชัน

เซลลูโลสอีเทอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมอิมัลชันเนื่องจากมีความหนาที่ดีในสารละลายที่เป็นน้ำ ซึ่งสามารถเพิ่มความหนืดของตัวกลางการกระจายตัวของอิมัลชัน และป้องกันการตกตะกอนและการแบ่งชั้นของอิมัลชัน เช่นโซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส, ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์, ไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสอีเทอร์ ฯลฯ สามารถใช้เป็นสารเพิ่มความคงตัวและสารป้องกันสำหรับหมากฝรั่งขัดสนประจุลบ, เซลลูโลสอีเทอร์ประจุบวก, ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์, ไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสอีเทอร์ ฯลฯ เบสเซลลูโลสอีเทอร์, เมทิลเซลลูโลส อีเทอร์ ฯลฯ ยังสามารถใช้เป็นสารป้องกันสำหรับกัมมันตภาพรังสีประจุบวก, AKD, ASA และสารปรับขนาดอื่นๆ หลงจู้ และคณะ ใช้เยื่อไม้ฟอกขาวซัลไฟต์ 100% แป้งฝุ่น 20% กาวขัดสน 1% ที่กระจายตัว ปรับค่า pH เป็น 4.5 ด้วยอะลูมิเนียมซัลเฟต และใช้ CMC ที่มีความหนืดสูงขึ้น (ความหนืด 800~12000MPA.S) ระดับการทดแทนคือ 0.6 และใช้สำหรับการกำหนดขนาดภายใน จากผลลัพธ์จะเห็นได้ว่าระดับขนาดของยางขัดสนที่มี CMC ได้รับการปรับปรุงอย่างเห็นได้ชัด และความเสถียรของอิมัลชันขัดสนนั้นดี และอัตราการเก็บรักษาของวัสดุยางก็สูงเช่นกัน

3.4 สารเคลือบกักเก็บน้ำ

ใช้สำหรับเคลือบและแปรรูปสารยึดเกาะเคลือบกระดาษ, ไซยาโนเอทิลเซลลูโลส, ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส ฯลฯ สามารถทดแทนเคซีนและส่วนหนึ่งของน้ำยางเพื่อให้หมึกพิมพ์สามารถเจาะได้ง่ายและขอบมีความชัดเจน คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสและไฮดรอกซีเอทิลคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์สามารถใช้เป็นสารช่วยกระจายเม็ดสี สารเพิ่มความข้น สารกักเก็บน้ำ และสารทำให้คงตัว ตัวอย่างเช่น ปริมาณคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสที่ใช้เป็นสารกักเก็บน้ำในการเตรียมการเคลือบกระดาษเคลือบคือ 1-2%

4. แนวโน้มการพัฒนาเซลลูโลสอีเทอร์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมกระดาษ

การใช้การดัดแปลงทางเคมีเพื่อให้ได้อนุพันธ์ของเซลลูโลสที่มีฟังก์ชันพิเศษเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการแสวงหาการใช้ใหม่จากผลผลิตอินทรียวัตถุธรรมชาติ-เซลลูโลสที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีอนุพันธ์ของเซลลูโลสหลายประเภทและฟังก์ชันที่หลากหลาย และเซลลูโลสอีเทอร์ได้ถูกนำไปใช้ในหลายอุตสาหกรรมเนื่องจากประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม เพื่อตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมกระดาษ การพัฒนาเซลลูโลสอีเทอร์ควรคำนึงถึงแนวโน้มต่อไปนี้:

(1) พัฒนาผลิตภัณฑ์เฉพาะของเซลลูโลสอีเทอร์ที่เหมาะสมกับการใช้งานในอุตสาหกรรมกระดาษ เช่น ผลิตภัณฑ์ซีรีส์ที่มีระดับการทดแทนต่างกัน ความหนืดต่างกัน และมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ต่างกัน เพื่อคัดเลือกในการผลิตกระดาษประเภทต่างๆ

(2) ควรเพิ่มการพัฒนาเซลลูโลสอีเทอร์สายพันธุ์ใหม่ เช่น เซลลูโลสอีเทอร์ประจุบวกที่เหมาะสมสำหรับการกักเก็บและช่วยระบายน้ำในการผลิตกระดาษ สารปรับขนาดพื้นผิว และเซลลูโลสอีเทอร์สวิตเตอร์ไอออนที่สามารถใช้เป็นสารเสริมแรงเพื่อทดแทนยางเคลือบไซยาโนเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์ และเป็นเหมือนเครื่องผูก

(3) เสริมสร้างการวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการเตรียมเซลลูโลสอีเทอร์และวิธีการเตรียมใหม่ โดยเฉพาะการวิจัยเรื่องการลดต้นทุนและทำให้กระบวนการง่ายขึ้น

(4) เสริมสร้างการวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติของเซลลูโลสอีเทอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งคุณสมบัติการขึ้นรูปฟิล์ม คุณสมบัติการยึดเกาะ และคุณสมบัติการทำให้หนาขึ้นของเซลลูโลสอีเทอร์ต่างๆ และเสริมสร้างการวิจัยทางทฤษฎีเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้เซลลูโลสอีเทอร์ในการผลิตกระดาษ