陽離子羥乙基瓜爾膠的合成及其造紙濕部應(yīng)用：
陽離子羥乙基瓜爾膠的合成及其造紙濕部應(yīng)用，對一步泥漿法合成新型助留助濾劑——陽離子羥乙基瓜爾膠（CEG),及將其用于廢新聞紙漿的抄造過程 進(jìn)行了探討。懸浮于醇冰體系中的瓜爾膠，先與陽離子單體發(fā)生醚化反應(yīng),然后與氯乙醇在微過量堿催化劑存 在下進(jìn)行羥乙基化反應(yīng)，陽離子中間產(chǎn)物不必分離。重點研宄了陽離子醚化產(chǎn)物的黏度及氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響因 素，確定了陽離子化反應(yīng)優(yōu)化條件為：m(陽離子單體）:m.(瓜爾膠）=0■ 4 1, m. (NaOH) :m.(瓜爾膠）=0. 25: 1反 應(yīng)溫度60 °C,反應(yīng)時間2 5h。經(jīng)紅外光譜分析，證實了接枝產(chǎn)物中季銨陽離子基團(tuán)的存在。由于CEG分子結(jié) 構(gòu)同時含有季銨陽離子和非離子的活性羥基，CEG常溫水合作用進(jìn)一步強化，w (CEG)= %的水溶液的透光率 增加到80%。當(dāng)以w(CEG) = 0i 2% (以絕干漿計）的用量添加到廢新聞紙漿中，細(xì)小組分的單程留著率提高了 40%,打漿度減少了 37%。
瓜爾膠（guar gu%簡稱GG),是從廣泛種植于 印度、巴基斯坦的瓜爾豆的胚乳中提取、純化、分離 得到的一種植物膠。它的主要成分為半乳甘露聚糖，從其分子結(jié)構(gòu)來看，是一種非離子多糖，主鏈由 (1— 4) -13-D-甘露糖為單元連接而成，側(cè)鏈由單個a- D半乳糖組成并以（1?6)鍵與主鏈相接，每兩個甘
瓜爾膠原粉為某外資公司提供，陽離子醚化劑 (ETA)為山東某公司提供的工業(yè)品，乙醇為工業(yè)品，次要因素為:m (醇)：m CH2〇)。適宜的醇水質(zhì)
露糖就出現(xiàn)一個半乳糖。瓜爾膠相對分子質(zhì)量一般 在20萬~ 200萬，因其生長于高溫、干旱缺水環(huán)境， 和淀粉使用前需要糊化相比，瓜爾膠具有冷水易溶 性。瓜爾膠的分子構(gòu)型與纖維素非常相似，這種相 似性使它和纖維素有很強的親和性，易于吸附到纖 維上而產(chǎn)生助留、助濾和増強效果[1~4]。因此，作為 一種頗具市場潛力的高檔助留助濾劑，瓜爾膠系列 產(chǎn)品的開發(fā)逐漸引起造紙工作者的注意，尤其是在 添加普通陽離子淀粉效果較差的廢紙漿中，改性瓜 爾膠產(chǎn)品具有投加量少，可避免細(xì)小纖維過度絮凝， 提高紙頁勻度、強度，以及提高濾水的優(yōu)點。
但是瓜爾膠原粉含有蛋白質(zhì)和粗纖維，水不溶 物含量較高。w (GG) = 1%原粉水溶液在625 nm 處的透光率低于30%，室溫下易生物降解發(fā)霉。用 于造紙過程雖然能提高紙品強度，陽離子羥乙基瓜爾膠的合成及其造紙濕部應(yīng)用，改善細(xì)小組分的 留著，但惡化濾水，容易糊網(wǎng)。因此，必須對瓜爾膠 進(jìn)行化學(xué)改性以降低其水不溶物含量，増加其透光 率，改善溶水速度，増加黏度的穩(wěn)定性，改善其助留、 助濾性能。
國內(nèi)科技人員對瓜爾膠的改性研究主要集中在 瓜爾膠的羥丙基醚化[5]，及其醚化產(chǎn)物用作油田壓 裂液、食品増稠劑。天津科技大學(xué)科技人員研究了 陽離子瓜爾膠在硫酸鹽木漿和卷煙紙中的應(yīng) 用[6 7];他們最近用半干法合成了陽離子瓜爾膠，且 對廢紙脫墨漿有較好的助留效果。但由于陽離子醚 化反應(yīng)降低了瓜爾膠的相對分子質(zhì)量，陽離子化產(chǎn) 品分子鏈變短，不能更好地發(fā)揮大分子的吸附架橋 作用，限制了其性能的發(fā)揮。Manjit Siigh Chowd- hary等人[8]制備了陽離子羥烷基瓜爾膠并將其用作 皮膚、頭發(fā)調(diào)理劑，但該產(chǎn)品的合成分兩步進(jìn)行:瓜 爾膠先與環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷等在堿性條件醚化生 成羥烷基瓜爾膠，然后與陽離子單體反應(yīng)，引入正電 荷基團(tuán)，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長。
作者提出了一步法合成羥乙基陽離子瓜爾膠工 藝。其優(yōu)勢在于瓜爾膠先陽離子化，在瓜爾膠分子 中接上陽性基團(tuán)后，再進(jìn)行羥乙基化反應(yīng)，増加了側(cè) 鏈數(shù)目及長度，彌補了反應(yīng)過程中產(chǎn)物黏度的損失。 因此，帶陽電荷的CEG分子可以與帶負(fù)電的纖維、 填料粒子發(fā)生作用，提高細(xì)小組分的助留助濾和増 強效果;接枝的活性羥基賦予了 CEG最大的氫鍵結(jié) 合面積，與纖維結(jié)合時，形成的氫鍵結(jié)合距離短，結(jié) 合力大，促進(jìn)了橋架作用，進(jìn)而増加了成型紙頁的勻 度和強度，減少細(xì)小物料的流失，降低了白水濃度。
1實驗
1 1藥品
NaOH、鹽酸、氯乙醇均為CP。
1 2陽離子羥乙基瓜爾膠的制備
陽離子化:稱取50 g瓜爾膠原粉于三口瓶中， 加入定量乙醇潤濕，再加入一定量氫氧化鈉水溶液， 堿化30min后，向反應(yīng)瓶中滴加w (ETA) = 70%的 陽離子單體水溶液，然后升至一定溫度反應(yīng)2~ 51。
羥乙基化:在上述反應(yīng)物料中補加一定量的陽 離子表面活性劑，將物料轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜，抽真空 2次，充氮氣2次，然后靠負(fù)壓吸入計量好的氯乙 醇，低溫醚化45 min^吸入稍過量的w (NaOH)= 50%的水溶液。讓反應(yīng)熱自發(fā)地將溫度升至一定 值，并維持這一■溫度反應(yīng)2~ 3 h>
中和反應(yīng)：降溫出料，用鹽酸調(diào)節(jié)pH，真空抽濾 物料，濾餅用m (乙醇）:m (水）=1:1的混合溶液洗 滌兩次，抽濾得到干燥的濾餅，然后經(jīng)真空干燥，粉 碎，得到要求粒度的產(chǎn)品。
13改性瓜爾膠性能的表征
用溴化鉀壓片法制樣，在N icoleAt 360型紅外 光譜儀上測試。
氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)W(N))的測定：用經(jīng)典的凱氏氮 法測定原粉及改性后產(chǎn)品中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并用公 式計算其陽離子取代度。
黏度的測定:采用SY /T 5764— 1995標(biāo)準(zhǔn)，將樣 品配制成w (CEG) = 1%的水溶液，靜置6 h后用 DNJ- 1型旋轉(zhuǎn)式黏度計測定黏度。
透光率的測定：將樣品用去離子水配制成w (CEG) =0.5%的水溶液。用2100P型濁度計測定 625 nm處的透光率。
助留助濾實驗：米用E lectio - CraftMoto-
maticll動態(tài)濾水儀（DD J)來測量細(xì)小組分的首程留 著率（Firstpass reten tiin)。陽離子羥乙基瓜爾膠的合成及其造紙濕部應(yīng)用，瓜爾膠的吸附速率很 快，5 min后基本達(dá)到吸附平衡。CEG與漿料的混 合時間為5m n然后把漿料倒入DDJ其轉(zhuǎn)速為 750 r/mi，收集 100mL濾液，用 HACH 2100P濁度 儀測定100mL濾液的濁度，然后通過濃度與濁度的 標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出濾液中的固形物含量。首程留著率 是指漿料通過造紙網(wǎng)留在紙頁上的固形物與漿料中 總固形物的百分比。計算式為:首程留著率（FPR) =(1-濾液質(zhì)量濃度試樣質(zhì)量濃度）x 100%。用 長春小型實驗機(jī)廠生產(chǎn)的ZJG- 100打漿度測定儀 測定漿料的濾水性能。
2結(jié)果與討論
21瓜爾膠的陽離子化反應(yīng)
正交實驗結(jié)果顯示，影響產(chǎn)品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小 的主要因素為:反應(yīng)溫度>m(ETA):m(GG)>反應(yīng) 時間 > m (N aOH ) :m (GG)。
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量比可以保證醚化物料處于泥漿狀態(tài)，GG有效膨 脹。比值過大，瓜爾膠顆粒收縮，與堿液接觸面積減 少，降低了其活性羥基的數(shù)量，接枝反應(yīng)不易進(jìn)行； 由于醇用量増加，也増加了成本和溶劑回收難度。 比值過小，瓜爾膠糊化嚴(yán)重，増加了攪拌阻力，一般 的攪拌裝置不能保證物料與反應(yīng)試劑混合均勻，使 醚化效率降低，影響后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行。多次實驗表 明：m (醇）m(GG) = 1. 5:1，m (醇）：m(H2O) = (1. 5 ~ 1. 8): 1 為宜。
2 1 1反應(yīng)溫度對產(chǎn)品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及黏度的影響
圖1表明，隨反應(yīng)溫度升高，瓜爾膠的接枝效率 提高，產(chǎn)品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸増加。溫度高于60°C 后，醚化效率有很大提高，但此時瓜爾膠在堿性、高 溫條件下降解嚴(yán)重，黏度下降。綜合考慮，反應(yīng)溫度 確定為60°C。
瓜爾膠原粉未經(jīng)純化，反應(yīng)時間2. 5 h，m ( ETA ) :m ( GG) = 0. 4: 1, m (NEOH) ：m (GG) = 0. 25 1
圖1反應(yīng)溫度對CEG產(chǎn)品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度的影響 Fig 1 Effect of reaction temperature on t^ie nitrogen ct^ntent and vfeosity of CEG
2 12反應(yīng)時間對產(chǎn)品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及黏度的影響 圖2表明，隨反應(yīng)時間延長，產(chǎn)品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)増 加，但黏度緩慢下降。反應(yīng)超過2. 5 h后，繼續(xù)延長 反應(yīng)時間產(chǎn)品黏度過低。應(yīng)用實驗結(jié)果證明，w (N) =1%的改性瓜爾膠的助留助濾效果己經(jīng)非常出色； w(N)= 1.2%時其助留助濾性能并沒有更大的改 善。所以，較佳的反應(yīng)時間為2.5 h〇 2 13 m(ETA):m(GG)對產(chǎn)品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(N) 及黏度的影響
相同反應(yīng)條件下，醚化劑用量増加，其與瓜爾膠 活性羥基的接觸機(jī)會増加，有利于接枝反應(yīng)。但醚 化劑中的雜質(zhì)能降低瓜爾膠的黏度，使瓜爾膠部分 官能團(tuán)交聯(lián)，影響產(chǎn)品的水溶性和透光率。圖3表 明，兩者用量比為m(ETA)m(GG) = 0.4 1較佳。
2 2陽離子瓜爾膠的羥乙基化反應(yīng)
陽離子瓜爾膠直接進(jìn)行乙氧基化反應(yīng)，合成了 低取代度的羥乙基陽離子瓜爾膠，中間產(chǎn)品不需分
離，反雜期縮短，可有效利用加成放熱使臟持
在所需溫度。從洗滌后產(chǎn)品的收率看，反應(yīng)物料損 失少。陽離子羥乙基瓜爾膠的合成及其造紙濕部應(yīng)用，和羥乙基瓜爾膠（CGG)相比，CEG產(chǎn)品溶水 速度加快，其水溶液在625 nm處的透光率進(jìn)一步提
(N£〇H):m(GG) = 0.25:1
圖2反應(yīng)時間對CEG產(chǎn)品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度的影響 Fg 2 Effect of reactiai time on the nitrogen content and viscosity of CEG
(GG) = 0. 25 1
圖3 m. (ETA):m(GG)對CEG產(chǎn)品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度的影響 Fg 3 Effect of ETA/GG weght rati.) on he njgrogen content and viscosity ofCEG
2 3 GG CGG與CEG的紅外光譜圖
圖4是GG、CGG與產(chǎn)品CEG的紅外譜圖。從 紅外譜圖可知：改性后瓜爾膠與瓜爾膠原粉的主峰 位置是一致的，3 400 on-1附近歸因于0—H伸縮 振動，2 926 cm 1附近歸因于C一H伸縮振動。在羥 乙基陽離子瓜爾膠的譜圖上，出現(xiàn)1 410 cm-1的 C一N伸縮振動，這是因為瓜爾膠分子上接枝了三 甲基季銨基團(tuán)，符合預(yù)期的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2 4 CEG對廢新聞紙漿的助留助濾作用
優(yōu)化條件下合成的CEG產(chǎn)品為淡黃色粉末，w (N) = 1.03%。陽離子羥乙基瓜爾膠的合成及其造紙濕部應(yīng)用，用冷水配制成w (CEG) = 1%的水溶 液，研究其對廢新聞紙漿懸浮體系的助留助濾性能。
以某知名公司的陽離子淀粉CS陽離子CPAM 為對照品，對助留助濾性能進(jìn)行比較。
1 一瓜爾膠原粉（GG); 2-羥乙基瓜爾膠（CGG); 3-陽離子羥乙基瓜爾膠（CEG) 圖4 00、CGG及CEG的紅外光譜圖 Fg 4 Iiifiared spectia. of theGG, CGG and CEG
計)時，使細(xì)小組分的單程留著率提高了 40%，濾水 度減少了 37%。CEG的成功合成既具有一定的理論 研究意義，又有實際應(yīng)用前景，在瓜爾膠的種植、純 化、粉碎己經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的今天，本改性瓜爾膠的研 制對推進(jìn)廢紙漿的回用有積極意義。
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