煙草薄片技術(shù)

煙草薄片的發(fā)展是在卷煙降焦減害日益受到重視的大背景下提出的。醫(yī)學(xué)研究表明 煙氣中大部分有害物質(zhì)會隨著煙氣進入人的氣管和肺部，一支煙就可縮短人的壽命5分 15秒 ，因此在吸煙所引起的健康和環(huán)境問題日益受到重視的今天，禁止吸煙當然是最 理想也是最徹底的措施，但在部分人對吸煙存在的心理依賴和習(xí)慣無法根除時，卷煙的 降焦減害工作勢在必行。

將再造煙草薄片添加到卷煙中是目前普遍采用且最為有效的實卷煙降焦減害的措 施。煙草薄片片已成為卷煙配方的必需原料。薄片為各國主要高檔卷煙如萬寶路、健牌、 云絲頓、駱駝等卷煙廣泛采用，卷煙產(chǎn)品中薄片絲的摻用比例一般在20%?25%，而在 美國使用量甚至高達30%?35%[2]。目前，全世界每年約使用35萬t以上的煙草薄片，而 且還在不斷增加[3]。

據(jù)統(tǒng)計，在煙葉復(fù)烤及卷煙生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大約占原煙料總量1/3的煙梗、碎 葉、碎末等，在煙葉的收獲過程中也會產(chǎn)生約5%的次級煙葉[4]，煙草薄片生產(chǎn)技術(shù)(又 稱再造煙葉)是將整個卷煙生產(chǎn)過程(包括打葉等工序)中廢棄的煙梗和煙末以及部分低 次煙葉這些數(shù)量可觀“下腳料”經(jīng)濟合理地利用起來，經(jīng)過不同加工方法的處理，制成 性狀接近甚至優(yōu)于天然煙葉的薄片，再用于卷煙生產(chǎn)。由于具有密度小、填充值高、柔 韌性和耐加工性好、成絲率高、燃燒速度快、焦油釋放量低以及產(chǎn)品可塑性強等特點[5]， 于二十世紀五六十年代開始發(fā)展起來，該技術(shù)一方面可以使煙葉原料最大限度地得到利 用，有效降低卷煙生產(chǎn)成本，同時在卷煙中添加適量的煙草薄片，可以降低焦油等有害 成分，改善卷煙內(nèi)在品質(zhì)，在一定程度上使卷煙的物理性能和化學(xué)成分按人們的意愿或 要求得到調(diào)整和改善，是減少和改善卷煙中不良成分的一項重要技術(shù)措施。另一方面， 大力發(fā)展煙草薄片的生產(chǎn)與應(yīng)用，符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，我國是一個人口大國，隨著經(jīng) 濟的迅速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化水平的不斷提高以及人口壓力的增大，糧食供求矛盾日益突出。 而煙葉原料的充分利用，則可相應(yīng)減少煙葉種植面積，實現(xiàn)“退煙還糧”。據(jù)初步統(tǒng)計， 全國每年可用于生產(chǎn)薄片的原料約15-20萬噸(包括低次煙葉)，而目前的實際利用率僅占 四分之一左右，如果通過努力使這些原料的80%得到利用，則相當于每年增加煙葉原料 12-15萬噸，相應(yīng)節(jié)省耕地近百萬畝，從這個意義上講，大力推動煙草薄片的生產(chǎn)與應(yīng)

用具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[6]。

煙草薄片技術(shù)起源于20世紀50年代.主要有輥壓法、稠漿法和造紙法三種生產(chǎn)技 術(shù)[7]。

1.1.1輥壓法煙草薄片技術(shù)

輥壓法的原理是利用物理方法，將煙末、煙梗、纖維素、粘合劑以干態(tài)混合后，加 入少量水，附加劑等用壓輥壓制成薄片并烘干，脫膜后卷起來或切成要求形狀。用輥壓 法制得的薄片的強度較差。單位體積重量大，填充性能低，焦油含量較高。但該法設(shè)備 緊湊、規(guī)模小，工藝和設(shè)備較簡單，耗能較少，生產(chǎn)成本低，適于中小規(guī)模煙廠使用。 輥壓法最早出現(xiàn)在日本，其技術(shù)也相對先進。日本采用加木漿纖維的方法，解決了薄片 與煙葉在生產(chǎn)中同步切絲的要求。該方法最重要的就是要合理加纖，目前主要有干法加 纖、濕法加纖和加纖起皺三種方法。傳統(tǒng)的干式加纖方法是利用錘擊式解纖機將木漿纖 維板離解成單根纖維。該法制成的薄片產(chǎn)品白色斑點很多，且薄片抗張強度效果較差。 濕法加纖將木漿水解載脫水后與煙粉混合，再加入料液混合壓片。該法工藝較復(fù)雜，成 本高，且加纖不均勻，制成的薄片易出現(xiàn)白點.纖維消耗量大。日本煙草公司從20世 紀80年代中期開始采用起皺加纖法。該方法能彌補薄片致密，燃燒性差，填充值低等 缺點[8]。

1.1.2稠漿法煙草薄片技術(shù)

稠漿法主要用于生產(chǎn)雪茄煙內(nèi)外包皮。這種方法的原理是將碎煙葉和煙梗干燥后磨 成煙末，然后將粉末加到含有粘合劑、助燃劑、礦物質(zhì)灰分、保濕劑和增強纖維的溶液 中形成綢漿，把稠漿涂在不銹鋼帶上形成一層膜，經(jīng)過干燥、回潮和脫膜后卷起來或切 成方形。稠漿法技術(shù)在歐美國家中應(yīng)用較多，其優(yōu)點是產(chǎn)品香氣、吃味與煙葉相近：薄 片密度接和填充值接近天然煙葉；機械加工性能好，可以大幅降低焦油釋放量。但其缺 點也明顯，即投資較大，產(chǎn)品的主要技術(shù)指標明顯低于造紙法產(chǎn)品[9]。

1.1.3造紙法煙草薄片技術(shù)

造紙法煙草薄片技術(shù)是目前煙草行業(yè)中一項十分重要的技術(shù).是實現(xiàn)廢煙料綜合利 用和減害降焦目的的重要途徑。該方法吸取了制漿造紙工藝及紙加工工藝中的許多特 點，使得制成的薄片在卷煙填充度、結(jié)構(gòu)強度及外觀上都有很大程度改善。造紙法薄片

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密度小，填充值高；成絲率高，耐機械加工性能好；燃燒速度快，焦油釋放量僅為煙葉 的一半；技術(shù)和生產(chǎn)人員還可以根據(jù)實際需要對薄片的物理、化學(xué)指標進行調(diào)控。目前 造紙法薄片生產(chǎn)工藝主要有一步法和兩步法兩種。一步法工藝是將煙草薄片原料經(jīng)浸 泡、打漿后獲得的高濃度漿料直接送到特殊設(shè)計的抄紙機上，經(jīng)脫水、烘干、分切后制 得煙草薄片。由于該方法在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上難以控制，目前少有廠家采用一步法。兩步法則 是將原料用水浸泡后，將可溶物和不容物萃取分離(煙末用有機溶劑萃取，煙梗用水萃 取)，不容物一般會與木漿纖維混合打漿，再用抄紙機制得片基，而可溶物萃取液經(jīng)過 濃縮加料制得涂料，利用特殊的涂布方式將其涂于片基之上，干燥、分切制成煙草薄片。 兩步法加工工藝是世界上使用最廣泛的造紙法薄片生產(chǎn)技術(shù).法國摩迪再造煙葉工業(yè)有 限公司就是采用的兩步法工藝。國內(nèi)新興的造紙法薄片廠家的生產(chǎn)工藝也基本以兩步法 為主_。

1.2造紙法煙草薄片濕部操造技術(shù)

造紙法煙草薄片是收集卷煙生產(chǎn)過程中廢棄的煙梗、煙末等原料，經(jīng)過浸取濃縮、 打漿抄造、干燥加香三個步驟，制成性狀接近甚至優(yōu)于天然煙葉的薄片，回用于卷煙生 產(chǎn)，從而使煙葉原料得到最大限度的利用。造紙法所生產(chǎn)的煙草薄片具有密度小，填充 值高、柔韌性和耐加工性好、成絲率高、燃燒性能好、焦油釋放量低以及產(chǎn)品可塑性強 等優(yōu)點，故又被稱為再造煙葉[11]。

造紙法生產(chǎn)煙草薄片工藝流程如圖1-1。

 

圖1-1造紙法煙草薄片工藝流程 Figure 1-1 Process of paper-making process tobacco sheet

造紙法煙草薄片濕部抄造技術(shù)吸收了制漿造紙工藝及紙加工工藝過程的特點，有輥

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壓法和稠漿法無法比擬的優(yōu)點。

1.2.1造紙法煙草薄片濕部操造漿料的特點

煙草漿料是由煙葉生產(chǎn)過程中收集的煙梗和煙末經(jīng)機械磨漿而來。煙梗和煙末的化 學(xué)組成直接決定了煙草漿料特性。國內(nèi)對煙草漿料特性方面的研究幾乎是空白的。方德 勝[12]研究了煙梗、煙末化學(xué)成分和纖維特征。他通過理化分析指出煙梗含總糖、煙堿 都較低，而木素含量較高，其他雜細胞含量也高，煙梗纖維短小，不易細纖維化。煙末 主要用于增加薄片充填和保持薄片顏色與香昧，由于煙末的韌性差，成紙濕強度差，加 入量不能過大.否則會造成抄造困難。唐興平等[13]對煙草原料的化學(xué)組分和纖維形態(tài) 進行了研究，得出煙草原料的化學(xué)組成如表1-1。他還用顯微鏡觀察碎煙葉、煙梗的組 織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，碎煙葉幾乎由非纖維細胞(雜細胞)組成，煙梗也基本由雜細胞組成，其中 含有少量的短纖維細胞。纖維形態(tài)分析表明：煙梗纖維1mm以上占14%，0.5-1 mm占 18%, 0.5 mm以下占68%,表明煙草纖維長度較短。

表1-1.煙草原料的化學(xué)組成（％)

Table 1-1 Chemical compositions of materials for tobacco sheet

原料水分熱水抽

提物乙醚抽

提物木素纖維

素綜纖維

素灰分煙堿

煙梗15.0634.851.653.2118.3030.064.850.65

碎煙葉15.4933.333.342.419.8526.493.331.34

對煙草漿料濕部電荷特性的研究少之又少。李杰輝等[14]在研究造紙法抄造煙草薄 片助留助濾性能時測量了煙草漿料系統(tǒng)的電位，煙草漿料的Zeta電位一般在-9mV?-10 mV之間，這與一般化學(xué)漿相比是非常高的，化學(xué)漿的Zeta電位一般在-30mV以下。

煙草漿料特性與造紙漿料特性有著本質(zhì)的差別。再造煙葉漿料的纖維組分中40% 以上為細小纖維，為了降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化煙葉薄片勻度、手感、色澤等，抄造過程還 需添加碳酸鈣填料，這意味著再造煙葉漿料中含有50%以上包括細小纖維和碳酸鈣的細 小組分，而造紙漿料中細小組分含量僅在10%左右。目前，再造煙葉漿料中細小組分的 留著率僅在20%左右，4/5的有效細小組分流失在濕部抄造白水中，導(dǎo)致濕部抄造過程 再造煙葉漿料有效細小組分流失過大，原料利用率低，抄造白水固含量高循環(huán)回用度低、

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排放量大、污染負荷重，對廢水處理系統(tǒng)沖擊大和生產(chǎn)成本高等負面效果。

1.2.2國內(nèi)外造紙法煙草薄片濕部抄造技術(shù)的發(fā)展與差異

國外在20世紀70年始系統(tǒng)研究造紙法薄片工藝技術(shù)，造紙法又稱奧地利薄片工藝， 是由奧地利PGT公司于1972年開始與挪威奧斯陸大學(xué)合作于1975年研究成功，由于 這種方法研究較早，世界大多數(shù)卷煙公司，像美國和歐洲大多數(shù)卷煙公司均采用此法。

我國在上世紀90年代末才開始對造紙法煙草薄片進行系統(tǒng)的研究，十五期間國家 煙草總公司開始要求降低香煙焦油含量至15mg/支，部分煙廠開始進口造紙法生產(chǎn)的煙 草薄片，達到降低焦油和煙氣有害分的目的，并取得良好效果，國內(nèi)開始注重造紙法煙 草薄片的生產(chǎn)技術(shù)和煙草質(zhì)量改進的研究，在國家和中煙集團的關(guān)注下，通過吸取國外 經(jīng)驗和自主研發(fā)，我國造紙法煙草薄片生產(chǎn)迅速發(fā)展，目前，在全國不同區(qū)域例如山東 沂水、杭州，湖南岳陽等地已建成十多條生產(chǎn)線投入，并且中煙集團成立了四個煙草薄 片研究室極大動我國造紙法煙草薄片的研究開發(fā)[15]。

中國造紙法煙草薄片生產(chǎn)發(fā)展迅速，但生產(chǎn)工藝和薄片質(zhì)量與國外相比還存在差 距。相對于國外造紙法薄片生產(chǎn)工藝技術(shù)，我國造紙法煙草薄片生產(chǎn)工藝研究剛剛起步， 煙草薄片生產(chǎn)過程中存在能耗高、得率低、薄片質(zhì)量差等突出問題，主要表現(xiàn)在：缺乏 較好的在線監(jiān)控和成品質(zhì)量檢測手段，嚴重制約薄片均勻性和質(zhì)量的穩(wěn)定性；缺乏針對 煙草薄片原料進行制漿、抄造片基的基礎(chǔ)研究，影響我國煙草薄片技術(shù)引進和消化吸收; 涂布精確度的控制及相關(guān)專用涂布設(shè)備等問題；就總體造紙法薄片生產(chǎn)線來說，協(xié)調(diào)性 差，各部分產(chǎn)能不匹配，嚴重影響薄片生產(chǎn)連續(xù)性，而且導(dǎo)致國內(nèi)煙草薄片生產(chǎn)能耗成 本遠遠高于國外造紙法薄片。國內(nèi)造紙法薄片在產(chǎn)品質(zhì)量方面與國外產(chǎn)品也存在一定差 距，首先在外觀及物理性質(zhì)方面，國內(nèi)薄片較厚，厚薄不均不如進口薄片，手感發(fā)硬； 色澤不均勻，部分薄片顏色較深；其韌性不如進口薄片。其次在薄片內(nèi)在品質(zhì)方面，國 產(chǎn)薄片木質(zhì)氣比較重，刺激性大，煙氣不協(xié)調(diào)，紙質(zhì)氣明顯，煙氣柔和程度差；進口薄 片木質(zhì)氣較輕，有一定的煙草香味，刺激性氣味小，略帶一點紙質(zhì)氣味；進口薄片焦油 釋放量低于國產(chǎn)薄片。

1.2.3造紙法煙草薄片濕部抄造助留助濾劑研究現(xiàn)狀

助留助濾技術(shù)已在一般紙的生產(chǎn)中成熟應(yīng)用，目前最廣泛使用的助留劑是合成高分 子助留劑，有聚乙烯胺、聚氧乙烯和陽離子聚丙烯酰胺（CPAM)等，但再造煙葉抄造

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對助留劑的要求與傳統(tǒng)紙葉抄造不同，所使用的助留劑必須在實現(xiàn)助留效果的同時對煙 草氣味和燃燒性不產(chǎn)生負面影響，更不能增加煙氣有害成分。傳統(tǒng)使用的助留助濾劑， 由于燃燒時會產(chǎn)生特殊氣味而不能用作再造煙葉抄造過程的助劑，因此研發(fā)不但燃燒時 不產(chǎn)生不良氣味，而且具有助留助濾增強一劑多功能效果助留助濾劑，是目前造紙法煙 草薄片濕部抄造技術(shù)的關(guān)鍵。

此外，根據(jù)再造煙葉漿料中細小組分含量大、抄造的煙草薄片物理強度差，脆性大， 撕裂強度較低的另一特點，在濕部抄造過程還必須考慮添加增強劑以增加煙草薄片的強 度。但是傳統(tǒng)的助留助濾劑如：聚丙烯酰胺衍生物和淀粉改性產(chǎn)品雖具有助留助濾增強 效果，但由于燃燒時會產(chǎn)生特殊氣味不能作為再造煙葉的助劑，必須研發(fā)不但適用于提 高再造煙葉濕部助留助濾劑，而且這種助留助濾劑還具有維持植物纖維的強度，甚至提 高煙草薄片力學(xué)性能的效果。

國內(nèi)對造紙法煙草薄片濕部抄造助留助濾劑的研究并不多，而且僅限于陽離子瓜爾 膠和殼聚糖。李杰輝等[16]選取了殼聚糖、CGG、CPAM3種助留助濾劑，分別研究了其 對煙草薄片漿料Zeta電位、動態(tài)濾水和單程留著率、填料留著率以及對薄片抗張強度 的影響，以期能夠提高煙草薄片生產(chǎn)過程中的紙機運行性能、提高生產(chǎn)效率。研究結(jié)果 表明：3種助留助濾劑對漿料Zeta電位、助濾性能、留著性能的影響具有相似的規(guī)律： 殼聚糖>CPAM>CGG。殼聚糖用量達0.6%時，其助留助濾性能基本能夠滿足紙機抄造 系統(tǒng)的使用要求以及煙草薄片的性能要求，其用量繼續(xù)提高會引起漿料的強烈絮聚，對 抄紙過程和產(chǎn)品質(zhì)量將產(chǎn)生不利影響；CGG和CPAM在較高用量時，漿料的絮聚并不 顯著，提高其用量，對漿料的助留助濾性能仍有提高的潛力。胡惠仁等[17]利用殼聚糖與 膨潤土組成微粒助留助濾體系,研究其對煙草漿料的助留助濾性能,以及對煙草薄片物理 性能的影響。結(jié)果表明，在造紙法煙草薄片生產(chǎn)中,利用殼聚糖與膨潤土組成微粒助留 助濾體系較單獨使用殼聚糖可明顯改善煙草漿料的助留助濾效果及煙草薄片的成形勻 度。用量為0.1%的殼聚糖與用量為0.4%的膨潤土組成的微粒助留助濾體系與只添加 0 .1%的殼聚糖相比，漿料的單程留著率、填料留著率、20 s內(nèi)的濾水量分別提高了 14%、 12%和190g。孫德平等[18]研究了造紙法煙草薄片的助留助濾劑，結(jié)果表明添加適量 (0. 6%左右)的殼聚糖抄造，所得煙草基片的綜合質(zhì)量較好，配抄漿料的留著和濾水性 能好。在助劑用量相同的情況下(均為0.6%)殼聚糖的填料留著率明顯大于瓜爾膠，但 是加殼聚糖的煙草基片的干抗張強度低于添加瓜爾膠的煙草基片。

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1.3瓜爾膠及其衍生物

1.3.1瓜爾膠的特點

瓜爾膠（Guar Gum)作為一種天然聚糖，盛產(chǎn)于印度和巴基斯坦等國，是從豆科 植物瓜爾豆（Cyamopsis tetragonoloba)種子的胚乳中提取到的。它是D-批喃甘露糖結(jié) 構(gòu)單元通過P-(1-4)苷鍵形成剛性主鏈，側(cè)鏈由D-吡喃半乳糖結(jié)構(gòu)單元以a-(1-6)鍵聯(lián)結(jié) 在主鏈上。雖然甘露糖與半乳糖的比例由于瓜爾膠產(chǎn)地而稍微有所不同，但是它們的比 例基本上是2: 1[19-21]。

瓜爾膠的首要特點是瓜爾豆生長于高溫、干旱缺水的環(huán)境，因此其不耐水，在冷水 中便可以水化、溶解。這與淀粉系列助劑使用前需要糊化相比是一個很大的優(yōu)勢。

 

Figure 1-2 Molecular configuration of guar gum(a) and cellulose(b)

天然瓜爾膠的優(yōu)點是可生物降解、無毒以及抗剪切力。X-射線衍射表明，其固態(tài)的 結(jié)構(gòu)非常類似于纖維素（圖1-2)。這種相似性使它對纖維素有很強的親和性，稱為直接 性（Substantivity)。在應(yīng)用時，瓜爾膠比刺槐豆膠（Locust bean gum)更容易水化；在 化學(xué)組成上瓜爾膠的分支單元數(shù)是刺槐豆膠的兩倍，并且瓜爾膠直鏈上沒有非極性基 團，大部分伯羥基和仲羥基都處于外側(cè)，半乳糖支鏈并沒有遮住活性的醇羥基，因此具 有更大的氫鍵活性[22]。

瓜爾膠的溶解性能：瓜爾膠為白色至淺黃色，可自由流動的粉末，接近無味。瓜爾 膠在水溶液中表現(xiàn)出典型的纏繞的生物聚合物的性質(zhì)，一般而言，0.5°%以上的瓜爾膠溶 液已呈非牛頓流體的假塑性流體特性，沒有屈服應(yīng)力[23]。瓜爾膠在冷水中就能充分水 化(一般需2h)，能分散在熱水或冷水中形成粘稠液，1%水溶液的粘度在5?6 Pa，s之間，

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為天然膠中粘度最高者，具體粘度取決于粒度、制備條件及溫度。分散于冷水中約2h 后呈現(xiàn)較強粘度，以后粘度繼續(xù)逐漸增大，24h達到最高點，粘稠力為淀粉糊的5?8 倍[24]。

瓜爾膠分子鏈上的羥基可與某些親水膠體及淀粉形成氫鍵，所以與小麥淀粉共煮可 達更高的粘度。瓜爾膠能與某些線型多糖，如黃原膠、瓊脂糖和K型卡拉膠相互作用 而形成復(fù)合體，瓜爾膠與黃原膠有一定程度的協(xié)同作用，但與卡拉膠則無協(xié)同效應(yīng)，這 種相互作用比之槐豆膠則相對較弱[25]。

瓜爾膠的穩(wěn)定性：瓜爾膠水溶液的熱穩(wěn)定性不好，在80-95°C加熱一段時間，就會 降解，喪失粘度[26]。作為天然高分子，瓜爾膠易被酶和細菌分解而不能長期儲存，抑 制酶和細菌的方法是在溶液中加入Na2S2〇3和NaN3[27]。Q.Wang[28]等人研究了瓜爾膠 在酸性條件下的穩(wěn)定性，在50C時，pH=3的條件下基本不水解，低于3時將會有不同 程度的水解，而在室溫25C時，即使pH=1時也基本不水解，說明瓜爾膠具有較強的耐 酸堿性。但是硫酸或三氟乙酸等強酸則可以使其完全水解為單糖，可利用此性質(zhì)測定瓜 爾膠及其衍生物中兩種單糖的比例。

1.3.2瓜爾膠的改性

雖然瓜爾膠具有較好的水溶性和增稠性，但也存在如下缺點：①不能快速潤脹和水 合，溶解速度慢；②水不溶物含量高；③水溶液的粘度不易控制；④溶液易被微生物分 解而不能長期保存。為了拓展瓜爾膠在工業(yè)中的應(yīng)用，必須對其進行化學(xué)改性。改性瓜 爾膠的一個重要表征參數(shù)就是取代度（DS)，即糖單元上被取代基團的平均數(shù)目，當 DS小于1時，常用分子取代度（MS)來表示，即接枝的取代基物質(zhì)的量與糖單體物質(zhì) 的量之比。

對瓜兒膠的化學(xué)改性主要集中在以下兩方面：一是利用瓜兒膠主鏈上大量活性的自 由基，與非離子醚化劑（環(huán)氧丙烷，環(huán)氧乙烷，環(huán)氧丁烷)、陰離子醚化劑（如含有磷 酸根，磺酸根和羧酸根的試劑）及陽離子醚化劑等在堿性催化劑作用下發(fā)生雙分子取代 反應(yīng)。二是通過引發(fā)劑引發(fā)瓜兒膠產(chǎn)生自由基，引發(fā)乙烯基單體發(fā)生鏈增長反應(yīng)，獲得 特殊性能的接枝共聚物。瓜爾膠改性的主要類型如圖1-3所示[29-31]。

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'醚化：陽離T化、羥丙基化等

^官能團衍生 < 酯化：羥基被無機酸或有機酸酯化

瓜爾膠庖粉、

接枝聚合

、軾化：與過氧化物等氧化劑作用 f內(nèi)烯脧接技 丙烯酰胺接枝 甲基丙烯酸接枝 、內(nèi)烯睹接技

v金屆交聯(lián)：在控制pH值條件下，其可以與硼、鈦等形成凝膠

圖1-3不同類型的瓜爾膠化學(xué)改性 Figure 1-3 Different types of chemical modification of guar gum

1.3.3瓜爾膠衍生物作為造紙助劑的研究進展

1.3.3.1陽離子瓜爾膠

由于瓜爾膠大分子的半乳糖和甘露糖上含有的大量的羥基，所以在強堿的條件下， 能與陽離子醚化劑發(fā)生醚化反應(yīng)生成陽離子瓜爾膠衍生物。在造紙工業(yè)中得到大量應(yīng)用 的是改性后的陽離子瓜爾膠。國外對陽離子瓜爾膠作為造紙增強劑、助留助濾劑、絮凝 劑、打漿增效劑等領(lǐng)域都進行了深入的研究。許多成果應(yīng)用于造紙實踐中。DerekAbson 等人[32]對四種造紙助劑陽離子淀粉(CS)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)、陽離子瓜爾膠 (CGG)、陽離子聚乙烯醇(CPVA)的助留助濾效果在動態(tài)濾水儀上進行了實驗研究，他們 發(fā)現(xiàn)陽離子瓜爾膠無論對細小纖維還是填料，其助留助濾效果都是最好的。Traser Guenter研究了陽離子瓜爾膠（CGG)在造紙濕部的應(yīng)用，加入CGG能提高斷裂強度、 Scott結(jié)合強度、撕裂強度和紙品的不透明性，提高細小組分留著率，節(jié)約蒸汽消耗。 對強度有獨特作用的瓜爾膠，當加入到紙漿懸浮液中，首先被吸附到細小纖維和高比表 面積的填料上，之后瓜爾膠分子進行重構(gòu)，通過電荷中和、氫鍵作用和橋架作用促進留 著，提高濾水，提高紙品強度[32]。Barua P.P[33]等人在實驗室合成了陽離子瓜爾膠，用 于棉短絨漿的抄紙。實驗表明：CGG是一種有效的打漿添加劑，可以提高耐破度， 甚至在添加50%填料時，0.5%的CGG能使紙頁的耐破度增加近41%。Burnfield[34]研 究發(fā)現(xiàn)，將陽離子瓜爾膠與陽離子淀粉按一定比例預(yù)先混合，經(jīng)糊化后使用，陽離子淀 粉的增強及陽離子瓜爾膠的助留、助濾效果都能得到有效的發(fā)揮，而它比不經(jīng)預(yù)先混合

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而分別使用兩種助劑相比，強度提高20%左右。美國專利US6270626B1[35]報道了一種 陽離子多聚糖（瓜爾膠、淀粉等）和膨潤土的復(fù)合體系用作纖維素原料成紙過程添加劑， 可以提高高礦石填料的留著，并且能夠改善濾水，改善紙品的力學(xué)性能，也適于白水循 環(huán)和損紙回用系統(tǒng)。用量為0.1-1%(相對于干漿），膨潤土/陽離子多聚糖的質(zhì)量比為2? 6,其質(zhì)量比例取決于多聚糖的陽離子取代度，在本發(fā)明專利中，DS優(yōu)選為0.08?0.5, 瓜爾膠的分子量為50000?3000000,碳酸鈣的添加量為40%時，填料的留著率提高15? 35%。國內(nèi)王軍利[36]研究不同DS的陽離子瓜爾膠對漂白硫酸鹽漿和滑石粉系統(tǒng)的應(yīng)用 效果。陽離子瓜爾膠作為造紙濕部助留助濾劑使用時，0.05%的用量已經(jīng)有較好效果， 根據(jù)實際情況可添加到0.1%(以絕干漿計)；抄紙pH值在6-7范圍內(nèi)較好；陽離子取代 度增大，助留助濾效果增加，但應(yīng)根據(jù)成本及效益權(quán)衡決定使用一定取代度的陽離子瓜 爾膠。萬小芳[37]等人利用一步泥漿法合成陽離子羥丙基瓜爾膠（CEG)，并將其應(yīng)用于 廢新聞紙漿的抄造過程。懸浮于水/醇體系中的瓜爾膠先于陽離子單體發(fā)生醚化反應(yīng)， 再與氯乙醇在微過量堿催化劑存在下進行羥乙基反應(yīng)，從而確定了最優(yōu)的陽離子化反應(yīng) 條件：m(陽離子單體)：m(瓜爾膠)=0.25:1，m(NaOH): m(瓜爾膠)=0.4:1，反應(yīng)時間2.5 h，反應(yīng)溫度60 °C。且當添加w (CEG) =0.2% (以絕干漿計）至廢新聞紙漿中時，細 小組分的單程留著率提高了 40%，打漿度減少了 37%。趙艷娜[38]以3-氯-2-羥丙基三甲 基氯化銨為醚化劑，氯化十六銨為相轉(zhuǎn)移催化劑，采用相轉(zhuǎn)移催化法制備了陽離子瓜爾 膠，當n(NaOH)/n(瓜爾膠)為0.22, n(醚化劑)/n(瓜爾膠)為0.166, n(相轉(zhuǎn)移催化劑)/n(瓜 爾膠)為0.15，反應(yīng)溫度40 C?60 C，反應(yīng)時間控制在2?4 h之間，且有適中的攪拌 速率時，制得的陽離子改性瓜爾膠具有好的水溶性，高的粘度。這些性能使得改性瓜爾 膠在工業(yè)上會有更大的用途。秦麗娟[39]用半干法合成了陽離子瓜爾膠，優(yōu)化了合成工 藝，并將作為助留劑應(yīng)用于廢紙脫墨漿，用量為0.05%時，填料留著率提高了 40.9%。

1.3.3.2陰離子瓜爾膠

陰離子瓜爾膠一般是通過在堿性條件下引入像羧甲基、磺酸基和磷酸酯基等帶負電 荷的陰離子基團來制備的。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝是干法合成，將鹵代脂肪酸和瓜爾膠干粉混 合后，再噴灑適當?shù)膲A進行催化。由于反應(yīng)介質(zhì)粘度增大，導(dǎo)致攪拌困難反應(yīng)不均一， 且因溫度難以控制而使反應(yīng)物結(jié)塊以致反應(yīng)出料困難，產(chǎn)物中含有大量的無機鹽和其他 介質(zhì)。在半干法中，將瓜爾膠加入至盛有氯乙酸，30%NaOH和體積分數(shù)為80%的酒精 中，室溫攪拌均勻，使物料呈半干狀態(tài)，然后將物料置于反應(yīng)器中反應(yīng)[40-42]。趙霞[43]

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等人即用半干法制備羧甲基瓜爾膠，在n(瓜爾膠)：n(氯乙酸)：n(氫氧化鈉)=1.6:1.2:1， 70 °C條件下反應(yīng)1 h得到的羧甲基瓜爾膠的取代度為0.51，粘度3960 mPa_s。吉毅[44] 等采用半干法制備磷酸酯瓜爾膠，將磷酸二氫鈉、尿素常溫下溶于蒸餾水，加入堿催化 劑和乙醇與瓜爾膠混合，等酯化劑在瓜爾膠中充分滲透后抽濾，濾餅經(jīng)高溫酯化、粉碎、 過篩、包裝即得產(chǎn)品。或采用溶劑法，異丙醇和水以不同比例組成反應(yīng)介質(zhì)，溫度為 60C，時間為45 min。P.Adhikary[45]等人以硝酸鈰銨為引發(fā)劑在水溶液條件下制備羧 甲基瓜爾膠和聚丙烯酰胺的接枝共聚物，得到的產(chǎn)品相對于羧甲基瓜爾膠和聚丙烯酰胺 具有更好的絮凝性能。Ronald N.DMemarthno[46]等利用3-氯-2-輕基-磺酸制備出了帶有 磺酸基的陰離子醚化瓜爾膠。

陰離子瓜爾膠可以提高紙張的耐折度，同時減少濕強劑的用量。使用時將其配制成 質(zhì)量分數(shù)最大為1°%，其用量一般為成紙的0.2%?0.4%。實際生產(chǎn)中往往將陽離子瓜爾 膠和陰離子瓜爾膠復(fù)配使用，這樣陽離子瓜爾膠的助留效果會得到極大的提高，且不影 響濾水和成紙勻度。

1.3.3.3兩性瓜爾膠

兩性瓜爾膠即陰陽兩性瓜爾膠，是指瓜爾膠分子鏈上既含有陽離子基團，又含有陰 離子基團?？梢杂藐庪x子試劑和陽離子試劑對瓜爾膠進行二重處理，或者用兩性中間體 經(jīng)過一步法來得到兩性瓜爾膠。其中陽離子基團主要包括銨基、氨基、亞氨基等。最常 使用的季銨類醚化劑，而叔胺類醚化劑，如2-二乙基氨基乙基氯化物（DEC)，由于其 陽離子性只有在酸性條件下才具備，使其應(yīng)用受到限制。季銨基的引入可以使用環(huán)氧丙 基三甲基氯化銨，3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨在堿性條件下處理瓜爾膠實現(xiàn)[47-50]。 Ccaldwel[51]等人在堿性條件下使二烷基氨基烷基鹵代物和瓜爾膠反應(yīng)制備了含叔胺基 團的瓜爾膠衍生物，瓜爾膠與氨基烷基酸苷、氨基環(huán)氧化物或鹵化物反應(yīng)可以用來制備 伯胺和仲胺衍生物。

陰離子取代基主要包括羧基、硫酸基、磺酸基、磷酸基等，常用且研究較多的是羧 甲基。瓜爾膠在堿性條件下與氯乙酸反應(yīng)即可引入羧甲基基團。瓜爾膠與含有磺內(nèi)酯、 環(huán)氧烷磺酸鈉鹽和鹵代烷磺酸鈉鹽等官能團的試劑反應(yīng)引入磺酸基。硫酸基和磷酸基的 引入可以使用已知的技術(shù)，如用堿金屬硫酸鹽或磷酸鹽與瓜爾膠反應(yīng)[52-54]。

Harm.Benningal[55]在專利中公開了既包含陽離子取代基又包含陰離子取代基的兩 性多糖類衍生物，該類物質(zhì)常用于防水膜紙張的生產(chǎn)中。在多糖中引入陽離子和陰離子

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取代基，能使此類多糖衍生物具有類似蛋白質(zhì)性質(zhì)的等電離點，它們在工業(yè)生產(chǎn)中具有 很高的價值。在薄膜紙張的生產(chǎn)中，它能降低水溶性，或增加微小顆粒在水溶液中分散 的穩(wěn)定性，尤其適合防水覆膜有色紙的生產(chǎn)。Traser[56]研究發(fā)現(xiàn)添加0.2%兩性瓜爾膠 可以提高凹版印刷紙酸性抄紙中高嶺土的留著率，自對比樣的58.3%提高到62.9%，裂 斷長度提高近360m，且改善紙的印刷性能。在pH7.5-8時使面巾紙的裂斷指數(shù)提高近 20%，留著率提高20%，節(jié)省40%濕強劑。在中性抄紙中，CaC〇3的首程留著率在0.05% 用量時最大。

熊燕[57]等人采用一步法，以3-氯-2羥丙基二甲氨基乙酸鹽為兩性醚化劑，在堿催 化劑作用下與瓜爾膠反應(yīng)制備了兩性瓜爾膠。得出最優(yōu)產(chǎn)品的取代度為0.544。吉毅[58] 等人則首先合成出具有兩性的3-氯-2羥丙基磷酸酯鹽和磷酸脂基甜菜堿兩種中間體， 然后再用中間體對瓜爾膠進行改性。并以取代度為指標確定了最優(yōu)的工藝條件，得到類 磷脂瓜爾膠的等電點為7.4?8.6,所得產(chǎn)物具有較強的耐鹽性。朱海林[59]等采用一步法 合成了新型兩性瓜爾膠，并研究了其水溶液的流變特征發(fā)現(xiàn)：兩性瓜爾膠在一定濃度的 鹽溶液中表現(xiàn)出明顯的反聚電解質(zhì)溶液的黏性行為；其水溶液的比濃粘度隨濃度的增加 而增加；其水溶液呈假塑性流體特征，具有剪切變稀特征且具有較強的觸變性質(zhì)。

1.3.3.4瓜爾膠接枝共聚物

有文獻報道了瓜爾膠接枝共聚物在造紙行業(yè)的應(yīng)用。B. R. NAYAK[60]等人用硝酸鈰 銨引發(fā)劑引發(fā)羥丙基瓜爾膠和丙烯酰胺的接枝共聚反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)保持羥丙基瓜爾膠和丙烯 酰胺的比例不變，改變硝酸鈰銨的用量，隨著硝酸鈰銨用量的增加，單體的轉(zhuǎn)化率提高， 但是產(chǎn)品特性粘度降低，因為硝酸鈰銨用量的提高，反應(yīng)生成的產(chǎn)品的接枝側(cè)鏈多且短。 Varadarajan PV [61]研究了環(huán)境友好，丙烯氰接枝改性瓜爾膠作為濕部助劑對紙張機械性 能的改善。三種皂化產(chǎn)品分別具有不同的接枝側(cè)鏈，均能提高紙品的機械力學(xué)性能，在 助劑的添加量和側(cè)鏈長度之間存在平衡點，使得紙頁的各種性質(zhì)得到提高。

1.4本論文研究背景、意義和內(nèi)容 1.4.1研究背景及意義

從煙田采收煙葉后的初加工到制造出包裝好的卷煙全過程，會產(chǎn)生大約占原煙料總 量三分之一的煙梗、碎葉、碎末等[62]，這些煙草碎屑無法在制造香煙時直接加入。在

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煙葉的收獲過程中也會產(chǎn)生約5%的次級煙葉[63]，如果將這些數(shù)量可觀的“下腳料”經(jīng) 濟合理地利用起來，對于減少煙草行業(yè)原料消耗，降低生產(chǎn)成本至提高產(chǎn)品的產(chǎn)量及品 質(zhì)，都具有重要的意義.多年來，煙草行業(yè)就以上問題進行了大量的研究，其中，用煙 草下腳料生產(chǎn)再造的煙葉——煙草薄片，并將之回用于卷煙生產(chǎn)過程，是實現(xiàn)廢煙料綜 合利用的有途徑[64]。

煙草薄片的生產(chǎn)方法目前主要有輥壓法、稠漿法和造紙法[65]。輥壓法是目前較常 見的方法，即將卷煙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢煙料經(jīng)磨碎、混合、粘合、擠壓成型、干燥等 過程處理而制得煙草薄片，回用到卷煙生產(chǎn)過程中去，工藝過程較為簡單，投資費用較 低，適合于卷煙廠內(nèi)部使用.但是，采用這種方法生產(chǎn)的薄片，其物理強度、填充性能 較差，成片脆性較大，在重新回用過程中尚存在著一定的問題[66]。

造紙法煙草薄片的制造是目前煙草行業(yè)中的重要技術(shù)，也是實現(xiàn)廢煙料綜合利用的 重要途徑.造紙法生產(chǎn)薄片，是將煙草原料的纖維疏解再重新以自然無序的形式交織成 薄片，因而具有密度小、填充值大、機械性能能好、焦油釋放量低等優(yōu)點。它使煙草的 燃燒速度大大加快，從而降低焦油的釋放量，可最大限度地按產(chǎn)品要求，有效改善卷煙 的內(nèi)在品質(zhì)，提高低檔次煙葉的使用價值[67]。由于該技術(shù)吸收了制漿造紙工藝及紙加 工工藝過程的特點，有輥壓法和稠漿法無法比擬的優(yōu)點。

然而，運用造紙法生產(chǎn)煙草薄片還存在一些問題。首先，煙草漿料特性與造紙漿料 特性有著本質(zhì)的差別。再造煙葉漿料的纖維組分中40%以上為細小纖維，為了降低生產(chǎn) 成本，優(yōu)化煙葉薄片勻度、手感、色澤等，抄造過程還需添加碳酸鈣填料，這意味著再 造煙葉漿料中含有50%以上包括細小纖維和碳酸鈣等細小組分，而造紙漿料中細小組分 含量僅在20%左右。目前，再造煙葉漿料中細小組分的留著率僅在20%左右，4/5的有 效細小組分流失在濕部抄造白水中，導(dǎo)致濕部抄造過程再造煙葉漿料有效細小組分流失 過大，原料利用率低，抄造白水固含量高循環(huán)回用度低、排放量大、污染負荷重，對廢 水處理系統(tǒng)沖擊大和生產(chǎn)成本高等負面效果；其次，在運用造紙法生產(chǎn)煙草薄片的過程 中，為了保持煙葉的原香味及燃燒特性，對外加助劑有特殊要求和嚴格限制，傳統(tǒng)的造 紙濕部助留助濾劑并不能滿足生產(chǎn)要求。由此，研發(fā)和引入適合再造煙葉濕部抄造的助 留助濾新技術(shù)，完善濕部抄造工藝，提升濕部抄造技術(shù)水平，提高濕部抄造細小組分留 著和原材料利用率，降低生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)過程污染負荷，降低抄造白水排放量，穩(wěn) 定和提高產(chǎn)品的物理性能和質(zhì)量，實現(xiàn)濕部抄造節(jié)能減排，對造紙法煙草薄片技術(shù)有著 重大的意義。

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瓜爾膠（guar gum)，是從廣泛種植于印巴次大陸的一種豆科植物瓜爾豆中提

取的一種高純化天然多糖。由于其獨特的分子結(jié)構(gòu)特點及天然性，使其迅速成為性能優(yōu) 越的新型環(huán)保造紙助劑[68,69]。由于瓜爾膠的天然、無毒、能夠滿足煙草薄片的食品安全 指標和其他特殊要求，所以一直以來都被認為是造紙法煙草薄片生產(chǎn)過程中重要的濕部 助留助濾劑。但是，天然的瓜爾膠具有熱穩(wěn)定性較差、在水中溶解速度慢、粘度不易控 制、耐電解質(zhì)較弱以及助留助濾效果不明顯等缺點，這些缺點使瓜爾膠的工業(yè)應(yīng)用受到 了一定的限制[70]，因此需要對瓜爾膠進行化學(xué)改性，以改變其理化特征，擴大應(yīng)用范 圍，強化應(yīng)用效果。

對瓜爾膠進行改性并用作造紙做留助濾劑的研究已有很多，但將其改性作造紙法煙 草薄片濕部助留助濾劑的研究并不多，而且大多研究只是將瓜爾膠進行陽離子化再加以 應(yīng)用，這樣對瓜爾膠的助留助濾的性能雖有一定程度提高，但其熱穩(wěn)定性及其絮凝效果 并沒有改變，本課題首先研煙草漿料的特性，在此基礎(chǔ)上，再將陽離子化的瓜爾膠接枝 丙烯酰胺，使瓜爾膠的穩(wěn)定性能和助留助濾性能最大化，以滿足造紙法高效、高質(zhì)、低 成本生產(chǎn)煙草薄片的技術(shù)要求。

1.4.2研究內(nèi)容

本論文在中國煙草總公司科技計劃項目（中煙辦「2011」151號）、廣東省煙草公

司科技項目（粵煙科「2011」6號）的支持下，開展了以下幾個方面的內(nèi)容研究：

首先，研究了再造煙葉漿料的特性，包括纖維的形態(tài)、纖維篩分及質(zhì)量分析，細小

組分含量、濕部電荷特性等；也考察了漿濃、漿料配比、打漿度、pH值、電解質(zhì)濃度、 填料添加量、硫酸鋁用量、陽離子瓜爾膠添加量對煙草漿料的濕部電荷特性的影響。

其次，研究陽離子瓜爾膠在離子液體中接枝丙烯酰胺，通過正交試驗和單因素試驗 分別考察反應(yīng)溫度、引發(fā)劑和單體用量、反應(yīng)時間對產(chǎn)品接枝率和接枝效率的影響，確 定產(chǎn)品的最佳工藝條件，并利用紅外光譜、核磁共振、熱重分析等技術(shù)手段對產(chǎn)品進行 表征。

最后，分別研究天然瓜爾膠、陽離子瓜爾膠、陽離子瓜爾膠丙烯酰胺接枝共聚物以 及陽離子聚丙烯酰胺在造紙法煙草薄片生產(chǎn)過程中的濕部助留助濾性能以及對白水污 染負荷的影響，考察助劑的添加量對助留助濾性能以及成紙強度性能的影響，以找到比 較適合煙草薄片生產(chǎn)的濕部助留助濾劑。

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第二章造紙法再造煙葉漿料特性研究

漿料特性對成紙性能有著直接的影響。造紙法再造煙葉原料主要來自卷煙生產(chǎn)過程 中產(chǎn)生的碎末以及煙梗、煙棒、殘次煙葉等，這些原料制漿性能較差，雖然同樣通過機 械磨漿，但與一般的機械漿相比，在纖維形態(tài)、化學(xué)成分、濕部電荷特性等方面千差萬 別，而在中國，由于造紙法再造煙葉技術(shù)應(yīng)用較晚，在這方面的研究處于剛剛起步階段， 缺乏對造紙法再造煙葉漿料特性方面的深刻理解，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中存在原料利用率低， 漿料質(zhì)量控制失當，成品性能差等難題。本章運用現(xiàn)代分析手段研究組成造紙法再造煙 葉漿料體系的煙草漿、外纖亞麻漿的纖維形態(tài)、濕部化學(xué)特性等，以期獲得對其深刻的 認識，并對生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)。

2.1實驗部分 2.1.1實驗原料

煙草漿：取自汕頭某工廠，打漿度為16.5°SR;亞麻漿：取自汕頭某工廠（作為外 纖加入，以增強煙草薄片的物理性能），打漿度為48.0°SR;陽離子瓜爾膠：實驗室自 制，陽離子取代度為0.16;氯化鈉、填料碳酸鈣均為市售商品。

2.1.2實驗儀器

美國Olympus公司PX51TF光學(xué)顯微鏡；芬蘭Metso公司Kajaani Fs300纖維質(zhì)量 分析儀；瑞典BTG公司MUtekTM SZP 06電位分析儀、MUtekTM PCD 03電荷測定儀、 MUtekTM Titrator two自動滴定儀、瑞典PTI公司纖維疏解機；奧地利ANDRITZ公司 203C纖維篩分儀等。

2.1.3實驗方法

2.1.3.1漿料纖維形態(tài)的顯微鏡觀察

將待分析的漿料纖維樣品分散在水中，用吸管吸取纖維懸浮液并滴一滴在載玻片 上，用蓋玻片蓋好制成用于觀察的玻片樣本，放在顯微境載物臺上，調(diào)節(jié)焦距及位置， 在不同倍數(shù)下觀察纖維形態(tài)。

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2.1.3.2漿料纖維的質(zhì)量分析

Kajaani Fs300纖維分析儀法，詳見《制漿造紙分析與檢測》[71]。準確稱量充分解 離、并已知水分含量的試樣〇.2g絕干量（準確到O.lmg)，將試樣濕潤后用手指揉搓成 小球，然后放入活塞分散器中，充分攪動，使纖維全部分散，并洗凈手指及用具以防纖 維損失。將試樣及洗滌用水加入到lOOOml的空容量瓶中，并稀釋至刻度，搖勻。再用 lOOml移液管取lOOml試樣加入到lOOOml容量瓶中，并稀釋至刻度，此時試樣濃度為

O.OO2%左右。取lOOml上述試樣加入到測量儀漏斗中并加入少量的水，設(shè)置測量程序 并開始測量，測量兩次，確保相對誤差在5%以內(nèi)。

2.1.3.3漿料纖維的篩分

按照GBT 2678.l-l993紙漿篩分測定方法進行漿料篩分測定。首先稱取lO 士 O. O5g(已知水分的)絕干漿樣，稱準至O.OOlg。然后在纖維標準解離器中解離，外纖亞麻 漿75OOO轉(zhuǎn)，煙草漿45OOO轉(zhuǎn)，解離時漿料和水的總體積為2L。然后，將解離好的lOg 纖維試樣均勻分散在水中，于15-18s內(nèi)注入第一個篩分水箱，同時啟動計時器，準確 篩分2Omin 士 lOs,篩畢立即停機停水。接著用布袋收集各篩槽里的漿料，并沖洗篩槽 及篩板各部位，使各篩漿料完全被收集到布袋中，再將收集到的纖維在布袋中擠干，然 后轉(zhuǎn)到已知重量的稱量盒中。纖維要轉(zhuǎn)移干凈，不要有損失.。最后，在1O5 士 2'C的烘 箱中將篩漿烘干至恒重，稱準至O.OOlg。

篩分試驗結(jié)果一般直接用存留在不同網(wǎng)目上纖維對投入試樣的重量百分數(shù)表示，其 計算式如下。

Xi=1OOWi/W

X5=1OO- (X1-X2-X3-X4)

式中：i為組分序數(shù)；Wi為各篩網(wǎng)各組分的纖維絕干量，g; W為試樣總絕干量， g; Xi為i篩分組分百分率；X5為流過最后一個篩網(wǎng)的細小纖維百分率。

2.1.3.4漿料Zeta電位和電導(dǎo)率的測定

將配好的漿料按1 %的漿濃在標準纖維解離器中疏解5min，取1 %濃度的漿料 5OOml，攪拌均勻，按照SZPO6電位分析儀的操作規(guī)程和步驟測定漿料的Zeta電位和 電導(dǎo)率。

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2.1.3.5漿料陽離子需求量（PCD)的測定

將配好的漿料按1%濃度在標準纖維解離器中疏解5min，用Mmek濾網(wǎng)（網(wǎng)孔直 徑為300^m)過濾分離纖維和溶膠物質(zhì)，用移液管準確移取10ml濾液于塑料測量池內(nèi), 用0.001N的標準溶液(P-DADMAC)滴定至終點，記錄標準溶液消耗的體積。根據(jù)以下 公式計算陽離子需求量：

陽離子電荷需求量：PCD=CIVI/V2

式中ci為P-DADMAC標準溶液的濃度（0.001N或mol/L); Vi為P-DADMAC標 準溶液消耗的體積（ml); V2為所取漿料濾液的體積（10ml)。

2.1.3.6漿料打漿度的測定

打漿度按照GBT 3332-2004中規(guī)定的方法進行測定。將1000 ml (士 5ml) 0.2%漿

濃充分解離好的紙漿懸浮液倒人一個干凈的量筒中，并在攪拌的情況下，充分混合試樣， 以避免空氣在這個階段進人漿料。然后迅速而又平穩(wěn)地將試樣倒人濾水室中，應(yīng)使?jié){流 對準密封錐形體的軸和斜面，以避免形成旋渦。在紙漿懸浮液全部倒人濾水室后5s, 將密封錐形體提起。當側(cè)管不再滴出水時，讀取。SR值，應(yīng)準確至1°SR。

2.2結(jié)果與討論 2.2.1漿料的纖維形態(tài)

造紙法再造煙葉漿料體系一般由煙草漿（煙梗、煙末等混合磨漿得到）、外纖漿以 及填料碳酸鈣按一定配比得到，因此漿料的纖維形態(tài)既包括煙草漿的纖維形態(tài)，也包括 外纖漿的纖維形態(tài)。在本文中外纖漿為亞麻漿。

2.2.1.1煙草漿料的纖維形態(tài)

煙草是茄科一年生草本植物，但煙草漿又不同于一般的草類漿料，煙草漿是由經(jīng)過 烘烤脫水的煙末、煙梗通過機械磨漿得到。它與一般草類機械漿最大的差別在于它經(jīng)過 一段烘烤脫水的過程。這個過程使得煙草漿在磨漿之前就變得硬脆，再通過收集過程及 磨漿階段的擠壓摩擦，使得煙草漿料中含有很多從煙草纖維上剝落的細小組分。

圖2-1是洗凈洗凈前后煙草漿纖維形態(tài)的顯微鏡觀察圖，由圖知煙草漿料中存在大 量的剝落的細小纖維組分，這些細小纖維組分密布于上網(wǎng)漿料的水溶液中，在抄紙過程

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中通過抄紙網(wǎng)，進入網(wǎng)下白水，使得網(wǎng)下白水顯得十分的渾濁，并造成網(wǎng)下白水污染負 荷極高。由于煙草漿的主要原料為煙梗和煙末，在圖2-1中可以看到團簇狀的煙末和纖 維狀的煙梗纖維。煙末無纖維成分，主要為煙葉柵欄組織和海綿組織細胞團簇，煙葉細 胞長度較小沒有形成長條的纖維結(jié)構(gòu)，也沒有在打漿過程中完全剝離開，它們組合在一 起形成的細胞團簇大多呈不規(guī)則形狀，長度寬度不一，但寬度比一般煙梗纖維要寬的多。 煙梗纖維與傳統(tǒng)造紙纖維相比，無明顯的卷曲現(xiàn)象，其長度寬度大小不一，纖維末端都 成切口狀，在造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中，雖然其作為骨架纖維，但可以明顯的看出這 種纖維提供的骨架作用有限。 

 

 

 

圖2-1洗凈前后煙草漿纖維形態(tài)的顯微鏡觀察圖（放大40倍）

 

 

Fig.2-1 Tobacco pulp fiber morphology microscope picture before and after washing

圖2-2放大100倍和200倍的煙草漿纖維形態(tài)的顯微鏡照片 Fig.2-2 Tobacco pulp fiber morphology microscope picture

圖2-2是放大100倍和200倍的煙草漿纖維形態(tài)的顯微鏡照片，從圖中可以明顯看 到煙草漿中含有由煙葉組織細胞組成的煙末碎片、被打漿過程切斷的煙梗纖維碎片及煙

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梗纖維。煙末碎片既有不同煙葉組織部位大小不一的細胞團簇形態(tài)，也有煙葉葉肉微粒 團簇形態(tài)。在放大200倍時，可以觀察到其實煙草漿中的煙梗纖維并沒有完全分散開， 大多還是以纖維束的形式存在。通過測量發(fā)現(xiàn)，單根煙梗纖維的寬度大概在30um左右， 而煙梗纖維束的寬度一般在100um左右；煙梗纖維束的長度也是單根煙梗纖維長度的 好幾倍。

 

圖2-3放大100倍和放大200倍煙梗纖維的顯微境照片 Fig.2-3 Tobacco stems fiber morphology microscope picture

煙梗纖維是分切好的煙梗（3cm以下）通過解纖和磨漿工序得到。解纖是將煙梗在 12°%左右的濃度利用解纖機將其大致纖維化，解纖后煙梗纖維的打漿度約為12°SR。磨 漿一般是先將解纖好的煙梗通過高濃磨，讓煙梗纖維與纖維之間相互擠磨，使其纖維束 疏解開而盡量減少纖維的損傷。煙梗纖維經(jīng)高濃磨漿之后加入白水，并不斷攪拌，進行 “消潛”，即讓高濃磨漿時扭曲的纖維在水力下舒展變直。最后再經(jīng)過低濃磨成漿，低 濃磨漿是利用刀盤對單根的纖維進行打磨，這樣更有利于單根纖維表面的分絲帚化，增 加纖維表面游離羥基數(shù)，增加紙頁吸液性，當然對纖維損傷也比較大。圖2-3放大100 倍和放大200倍煙梗纖維的顯微境照片。從圖中就可以清楚的知道在造紙法再造煙葉的 漿料中，煙梗纖維大多還是以纖維束的形式存在，這是因為再造煙葉基片要求較高的松 后度，在磨漿階段，煙梗原料并沒有得到充分磨漿。

煙末是卷煙廠打葉、切絲、卷煙過程中產(chǎn)生的碎渣。煙末與煙梗經(jīng)過混合萃取后， 也經(jīng)過高濃低濃兩個磨漿階段。由于煙末一般是由煙葉組織細胞組成的團簇，煙葉組織 細胞長度、寬度比一般纖維細胞都小，細胞壁也較薄，這些細胞團簇容易在磨漿過程中 脫落、破裂，形成漿料中的細小組分。另外，由于煙葉組織細胞的細胞壁較薄，團簇形

19 

態(tài)的煙末密度低，容易漂浮在水面上，在和煙梗組成的煙草漿料體系中，會出現(xiàn)分層， 上浮等現(xiàn)象。圖2-4放大100倍和放大200倍煙末纖維的顯微境照片。從圖中可以看到 煙末多成不規(guī)則形狀，組成煙末的的細胞由于來自煙葉的不同部位，細胞大小和形態(tài)也 不一樣，既有腔大壁薄的海綿組織細胞，也有如沙堆微粒般的柵欄組織細胞。有些煙末 不僅是組織細胞團簇，團簇中還有葉脈作為骨架。

 

圖2-4放大100倍和放大200倍煙末纖維的顯微境照片 Fig.2-4 Tobacco debris fiber morphology microscope picture

2.2.1.2亞麻漿的纖維形態(tài)

在造紙法再造煙葉生產(chǎn)的過程中，由于煙草原料的成紙性能較差，通常需加入一定 量的外纖來作為骨架纖維，以提高造紙法再造煙葉的抄造性能。通常，在工廠選擇亞麻 漿及本色木漿作為外加纖維，考慮到外加纖維跟煙草漿的吸性不同，為了保持煙草薄片 較為純正的煙草吸性，工廠會嚴格控制外加植物纖維的種類及添加量。由于麻類紙漿的 物理機械強度性能出色，特別是麻漿的撕裂指數(shù)較高，透氣性好，燃燒時無異味等優(yōu)點， 造紙法再造煙葉的生產(chǎn)通常選擇麻類纖維作為外纖。本文根據(jù)某工廠的實際生產(chǎn)情況選 擇亞麻漿來作為研究對象。

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(a) 40 倍（b) 100 倍

 

 

圖2-5不同倍數(shù)下的亞麻漿纖維的顯微境照片 Fig.2-5 Flax pulp fiber morphology microscope picture

亞麻纖維是一種多細胞的韌皮纖維，亞麻纖維的細胞在基于韌皮與木質(zhì)部之間的果 膠層是以束狀態(tài)的方式生長，把細胞交接在一起而形成分散的纖維。亞麻單纖維靠果膠 質(zhì)軸向搭接或側(cè)向轉(zhuǎn)接形成纖維束。一般韌皮部有30-40纖維束均勻地分布呈一圈完整 的環(huán)狀纖維束層。纖維束分布在整個麻莖，如根順纖維束的方向，有的纖維束一直到莖 的尖端，有的則到達葉部。作為造紙原料的亞麻纖維一般都為纖維束分散的單根纖維， 圖2-5是亞麻漿纖維的顯微鏡照片。由圖可知亞麻纖維細長，通常纖維之間容易纏繞在 一起。亞麻纖維由于是化學(xué)法制漿得到，纖維都成單根分散狀，不存在煙草漿料纖維成 束的狀態(tài)，單根分散的亞麻纖維具有壁厚，腔壁明顯，表面無分絲帚化現(xiàn)象等特點。通 過高倍顯微照片我們還可以看到，其實亞麻纖維表面并不是想象中的那么光滑，還有許 多縱向排列的隆起。通過測量，我們還發(fā)現(xiàn)亞麻纖維的長度在1000um左右，寬度20um 左右。

21

2.2.2漿料纖維質(zhì)量分析

纖維的長度、寬度、粗度、卷曲度等是直接影響漿料成紙性能的重要指標；成紙的 強度受纖維強度及纖維相互之間的結(jié)合度影響，當纖維結(jié)合弱時，紙張強度主要受結(jié)合 度影響，反之則主要受纖維本身強度影響，其中結(jié)合度由纖維自身性質(zhì)及纖維上結(jié)合點 的多少共同決定[72]。一般認為，長纖維上具有較多的結(jié)合點，利于提高成紙的強度， 但長纖維絮聚程度高，不利于成紙的均勻性；短纖維易流動及濾水性好，成紙均勻度高， 但不利于強度的提高[73]。寬度直接影響長寬比值，纖維長寬比又直接影響成紙的強度。 一般認為，優(yōu)良的造紙纖維長寬比應(yīng)大于50,而長寬比小于30的纖維則不適于造紙[74]。 紙漿纖維的卷曲度即纖維逐漸連續(xù)的轉(zhuǎn)彎，扭結(jié)指數(shù)用以表征纖維細胞壁受損而產(chǎn)生突 然且生硬的轉(zhuǎn)折程度，相同的條件下扭結(jié)指數(shù)越高，成紙的強度越差。本文利用Metso 公司Kajaani Fs300纖維質(zhì)量分析儀分別對煙草漿和亞麻漿的長度、寬度、粗度，卷曲 度等指標進行了測量，測量結(jié)果如表2-1，圖2-6，圖2-7所示。

表2-1造紙法再造煙葉漿料的各項指標

Tab.2-1 Morphological characteristics of papermaking reconstituted tobacco pulp fiber

漿種質(zhì)均長度

(mm)質(zhì)均寬度

(um)纖維長寬 比纖維粗度

(mg/m)纖維卷曲 率(%)纖維扭結(jié) 指數(shù)(m-1)

煙草漿1.0125.3739.81.59217.9971

亞麻漿0.9317.8252.20.11720.521400

由表2-1可知，煙草漿和亞麻漿的質(zhì)均長度都在1mm左右，但纖維的長寬比卻相 差很大，亞麻漿的長寬比大于50,屬于優(yōu)良的造紙纖維，煙草漿的長寬比接近30,造 紙性能較差。值得注意的是，煙草漿的粗度遠遠大于亞麻漿的粗度，煙草漿的粗度為 1.592mg/m，一般造紙纖維的粗度在0.2 mg/m左右，粗度較大，成紙的松厚度較高，但 對成紙的強度性能有消極影響，成紙的裂斷長、耐破度、撕裂度和耐折度都隨纖維粗度 的增大而降低的[75]。纖維的卷曲和扭結(jié)由纖維本身的性質(zhì)（長寬比、柔軟度）及外加 作用（打漿、消潛等作用）共同決定。亞麻漿的纖維卷曲率和扭結(jié)指數(shù)都較大，這是因 為亞麻纖維具有較大的長寬比。而煙草漿的粗度較大，長寬比較小，雖然其通過高濃機 械磨漿，纖維的卷曲率和扭結(jié)指數(shù)仍較小。

22

1 02:03:04:05:06:07：01:02:03:04:05:06:07:0

 

Length [mm]Length [mm]

(a)煙草漿（b)亞麻漿

圖2-6漿料纖維的質(zhì)均長度分布

Fig.2-6 Length-weighted length distribution of Tobacco fiber and Flax fiber

 

Fig.2-7 Length-weighted width distribution of Tobacco fiber and Flax fiber

研究認為[76]，細小纖維的存在不利于數(shù)均長度對纖維真實長度的反映；質(zhì)均長度 更接近于纖維的真實長度，因此本文中選擇質(zhì)均長度來表示纖維的平均長度。圖2-6是 煙草漿和亞麻漿漿料纖維的質(zhì)均長度分布圖，由圖可知煙草漿和亞麻漿的質(zhì)均長度大多 在1mm以下，煙草漿和亞麻漿質(zhì)均長度在1mm以下的分別占74.1°%和72.2°%；與煙草 漿相比，亞麻漿的質(zhì)均長度分布較窄，這是因為煙草漿通過機械磨漿而來，受摩擦、剪 切作用較強、纖維存在切斷、成束等狀態(tài)，質(zhì)均長度分布就較寬，而亞麻漿是化學(xué)漿， 其質(zhì)均長度分布能較好的反映單根亞麻纖維的質(zhì)均長度分布。

圖2-7是煙草漿和亞麻漿的質(zhì)均寬度分布數(shù)據(jù)，由圖知：煙草漿的質(zhì)均寬度分布主 要集中在10-40um范圍內(nèi)，約占總質(zhì)均寬度分布的80%；而亞麻漿的質(zhì)均寬度分布集

23 

中在10-30um范圍內(nèi)，約占總質(zhì)均寬度分布94.5%。亞麻纖維的質(zhì)均長度、寬度分布都 較窄，是一種優(yōu)良的生產(chǎn)過濾紙的天然植物纖維。

2.2.3漿料纖維的篩分

纖維的長短粗細分布也可以通過纖維篩分儀來測定。纖維篩分儀檢測的篩分組分一 般是使用幾個不同目數(shù)的篩板分別測定后，求得各個篩板上纖維的百分比。在此情況下 這些數(shù)據(jù)可大致顯示出篩分組分的長短大小關(guān)系以及與紙張強度影響關(guān)系的趨向性狀 況。曾廣植研究[77] 了纖維篩分組分與紙張綜合強度的關(guān)系，結(jié)果表明較粗的篩板篩得 纖維的百分比基本可顯示和代表改紙漿纖維的基礎(chǔ)特性，而該特性與紙張的綜合強度存 在密切的相關(guān)性，紙張的綜合強度隨著100目以上的纖維組分比率的增加而相應(yīng)提高。

 

圖2-8煙草漿的篩分情況

Fig.2-8 Proportion of each screening component of Tobaccoo pulp

24

 

圖2-9亞麻漿的篩分情況

Fig.2-9 Proportion of each screening component of Flax pulp

煙草漿料的纖維篩分結(jié)果見圖2-8。由圖2-8知，煙草漿料中30目以上的占了總質(zhì) 量的43.5%，而100目以上的占了總質(zhì)量的81.5%。這說明煙草漿料中長纖維、纖維束、 纖維團簇所占的比例比較高；由于要求煙草薄片有較高的松厚度，以獲得良好的填充值， 煙末、煙梗等原料通過機械磨漿的強度并不是很強，主要是靠纖維之間的相互摩擦來分 散纖維，這才造成了煙草漿料如圖2-8所示的纖維篩分情況。圖2-9是亞麻漿的篩分情 況。亞麻漿16目以上的組分占到25.57%，100目以上的組分占72%，200目以下的組 分占20.95%。亞麻纖維細長，容易纏繞在一起，而通不過篩網(wǎng)，所以16目以上的組分 所占比例才較大，單根分散的亞麻纖維由于纖維寬度較小，也很容易通過篩網(wǎng)密集的篩 板，所以才造成亞麻漿200目以下的纖維組分也較多的情況。

2.2.4漿料的濕部化學(xué)特性

通過檢測造紙法再造煙葉漿料的陽離子需求量、Zeta電位等濕部電荷指標，研究再 造煙葉漿料的濕部電荷特性，以及漿濃、pH值、離子濃度、打漿度、亞麻漿配比、填 料添加量以及陽離子瓜爾膠用量對再造煙葉漿料體系的濕部電荷特性的影響，為在造紙 法煙草薄片生產(chǎn)過程中添加濕部助劑，實現(xiàn)濕部化學(xué)過程控制和優(yōu)化，實現(xiàn)煙草薄片濕 部抄造技術(shù)升級提供一定的參考。實驗所用漿料按照汕頭某工廠的實際生產(chǎn)情況，由煙 草漿和亞麻漿按一定比例配制，并添加一定配比的碳酸鈣。一般情況下配好的漿料含

25

87.5%的煙草漿、5%的亞麻漿和7.5%的碳酸鈣，在研究亞麻配比和碳酸鈣添加量對漿 料Zeta電位、電導(dǎo)率及陽離子需求量的影響時除外。配制漿料的濃度為1%。

2.2.4.1漿料的電荷特性

運用相關(guān)儀器分別檢測了組成造紙法再造煙葉漿料體系的兩種漿料的電荷特性，得 到的數(shù)據(jù)如表2-2。

表2-2不同漿料的電荷特性 Tab.2-2 Charge characteristics of different pulp

漿種打漿度

(°SR)PCD

(mmol/L )Zeta電位 ( mV)電導(dǎo)率

(mS/cm)

煙草漿

亞麻漿16.5

45.00.2185

0.0456-8.00

-42.800.2355

0.1830

由表2-2中數(shù)據(jù)可知，亞麻漿的Zeta電位比煙草漿的Zeta電位要低得很多，陽離 子電荷需求量也不如煙草漿的大。煙草漿的Zeta電位高，是因為煙草漿料通過機械磨 漿而來，漿料纖維表面游離的羥基沒有化學(xué)漿纖維表面游離的羥基多，負電性就不強， 反映到Zeta電位上，Zeta電位就較高。煙草漿料的陽離子需求量大，是由于煙草漿原 料（煙末、煙梗）本身熱水抽出物含量較高，加之其通過機械磨漿，產(chǎn)生的細小組分含 量較高，又未經(jīng)洗滌，留在漿料濾液中的細小組分和膠溶物質(zhì)較多，總的陰離子干擾物 質(zhì)較多，所以陽離子需求量較大。

2.2.4.2漿濃對漿料體系濕部電荷特性的影響

通過對不同濃度的配好的漿料（含87.5%煙草漿、5%亞麻漿和7.5%碳酸鈣）進行 濕部電荷特性分析，來研究漿濃對漿料的濕部電荷特性影響，得到不同漿濃的漿料的濕 部電荷特性數(shù)據(jù)如圖2-10。由圖可見，1%漿濃的漿料的陽離子需求量、Zeta電位和電 導(dǎo)率分別為：0.1534mmol/L、-8.5mV和0.267mS/cm。隨著漿濃的增加，漿料濾液的陽 離子需求量逐漸上升，漿濃從0.2%增加到1.2%，對應(yīng)的漿料濾液的的陽離子需求量從 0.0408mmol/L上升到0.2227 mmol/L。漿濃增加，溶解在水中的細小組分及膠溶物質(zhì)增 加，漿料體系中的陰離子干擾物質(zhì)增加，陽離子需求量就上升。隨著漿濃的增加，漿料 系統(tǒng)的Zeta電位也逐漸升高，升高的幅度不大，從0.6%的漿濃增加到1%的漿濃，Zeta 電位只升高了 1.5mV。漿料體系的電導(dǎo)率隨著漿濃的增加也有增大的趨勢，但這種趨勢 不明顯，漿料體系的電導(dǎo)率始終在0.25mS/cm上下。

26 

圖2-10漿濃對漿料體系的濕部電荷特性的影響 Fig.2-10 The effect of pulp consistency on charge charateristics

2.2.4.3 pH值對漿料體系濕部電荷特性的影響

用鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)漿料的pH值，研究pH值對漿料的濕部電荷特性影響。 得到不同pH的漿料的濕部電荷特性數(shù)據(jù)如圖2-11。由圖2-11可知，隨著漿料pH值的 增加，漿料內(nèi)溶膠物質(zhì)的陽離子需求量呈上升趨勢。在酸性范圍內(nèi)，陽離子需求量由 pH 值為 4.8 時的 0.07meq/L 升高到 PH 為 7.0 時的 0.12mmol/L，PCD 值增加了 71.4°%； 在堿性范圍內(nèi)，陽離子需求量由PH值為7.0時的0.12mmol/L升高到PH值為10時的 0.28meq/L，PCD值增加了 133%。隨著pH值的增加，漿料纖維上的羧基和溶膠物質(zhì)的 電離程度不斷加大，體系中的陰離子物質(zhì)逐漸增多，從而使?jié){內(nèi)的溶膠物質(zhì)陽離子需求 量增大。

 

 

-4

-5

-6

-7

-8

-9

-10

-11

 

0.4

〇

00

0.2

條

〇.1^

1.2

0.8

0.4

0.0

圖2-11 pH對漿料體系的濕部電荷特性的影響 Fig.2-11 The effect of pH on charge charateristics

漿料的Zeta電位隨pH值的提高而降低。在酸性范圍內(nèi)，Zeta電位由pH值為4.8

27

時的-5mV降低到pH值為7.0時的-6.5mV，降低了 30%;在堿性范圍內(nèi)，Zeta電位由 pH值為7.0時的-6.5mV降低到pH值為10時的-9.9mV，降低了 52.3%。原因可能是，

在酸性條件下，體系里的氫根離子與纖維表面游離的羥基相結(jié)合，降低了纖維的電負性。 一般在實際生產(chǎn)過程中選擇控制Zeta電位在-4?-9mV的范圍內(nèi)，屬微負值的范圍[78]， 這樣有利于提高紙機的抄造性能和紙張質(zhì)量。從以上分析可以看出，如果單從PH值對 煙草漿纖維的Zeta電位和溶膠物質(zhì)的陽離子需求量的影響來考慮，酸性抄紙系統(tǒng)比中 堿性抄紙系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢[79]。漿料的電導(dǎo)率是隨pH值的升高而逐漸降低的，這是 因為pH值越高，體系中含有越多的氫氧根離子，壓縮了漿料表面羥基的電離，使?jié){料 導(dǎo)電能力下降。

2.2.4.4離子濃度對漿料體系濕部電荷特性影響

 

1.5

1.2

a

0.9之

OQ

S

0.6

咖

03 ] 0.0

圖2-12離子濃度對漿料體系的濕部電荷特性的影響 Fig.2-12 The effect of NaCl concentration on charge charateristics

離子的濃度會對漿料體系的陽離子電荷需求量和Zeta電位產(chǎn)生影響，本實驗用 NaCl來模擬漿料體系中的電解質(zhì)干擾物質(zhì)，研究了離子濃度對漿料體系電荷特性影響 的變化規(guī)律，實驗結(jié)果見圖2-12。

從圖2-12可以看出隨著離子濃度的升高，漿料體系的陽離子需求量不斷降低，但 降低的幅度較小。漿料體系的Zeta電位隨著離子濃度的升高而不斷升高。加入氯化鈉 降低了漿料體系各組分之間的靜電力，屏蔽了漿料組分的部分陰離子基團，產(chǎn)生屏蔽作 用，導(dǎo)致漿料體系的陽離子需求量下降。提高介質(zhì)中鹽的濃度或與加入膠體粒子表面電 荷電性相反的離子，均會破壞膠體懸浮液的雙電層結(jié)構(gòu)，從而提高漿料的Zeta電位。 電導(dǎo)率越高纖維表面的擴散雙電層受到的壓縮程度越高，反映在Zeta電位上表現(xiàn)為電

28

位負值降低，所以漿料體系的Zeta電位隨著離子濃度的升高而不斷升高[80]。

從圖2-12中可以看出電導(dǎo)率和離子濃度近似呈線性關(guān)系，因此電導(dǎo)率可以在一定 程度上反映體系中溶解離子的濃度。煙草漿系統(tǒng)的電導(dǎo)率一般較低，但在白水循環(huán)過程 中容易積累漿料體系中的溶解離子和設(shè)備受腐蝕而剝落的金屬離子，使煙草漿系統(tǒng)的電 導(dǎo)率增大。由于離子對漿料電荷特性的負面影響，在實際生產(chǎn)過程中要對漿料進行處理， 減小電解質(zhì)對漿料的影響。

2.2.4.5打漿度對漿料體系濕部電荷特性的影響

0.30n-7.0

0.25

0.20¬

0.15¬

0.10¬

0.05

 

P.5.0.5

068.9.9.

- - - -

0.00 」-10.0 304050607080

打漿度（°SR)

圖2-13打漿度對漿料體系的濕部電荷特性的影響 Fig.2-13 The effect of Beating degree on charge charateristics

^#392

打漿度對漿料體系陽離子需求量的影響見圖2-13。打漿度提高，漿料的陽離子需求 量增加。這主要是因為較高的打漿度使纖維外層被破壞、切斷或變形，同時也會使纖維 上的羥基暴露程度增加，纖維中含有的溶膠物質(zhì)也會因纖維的破壞被釋放出來，增加溶 膠物質(zhì)的陽離子需求量。打漿度從30°SR提高到62°SR，漿料陽離子電荷需求量從0.15 mmol/L 上升到 0.25 mmol/L，增加了 67%。

打漿時，纖維素纖維主要發(fā)生兩個方面的變化。一是纖維素纖維的表面積增加，暴 露出更多的羥基，纖維的表面電荷增多，同時使負電荷物質(zhì)的吸附增強；另一方面纖維 受電中性的溶劑化作用增強，在纖維的周圍形成一個厚層，使離子化層的運動變得困難。 在這兩方面的作用下，漿料Zeta電位隨打漿度的升高而下降，變化趨勢先急后緩。由 圖2-13可知，打漿度在30?40°SR之間，Zeta電位的下降的幅度最大。此時，纖維負 電荷增加是主要的，之后Zeta電位隨著打漿度的提高變化不大，說明兩種作用基本達

29

到平衡。

2.2.4.6亞麻漿配比對漿料體系濕部電荷特性的影響

保持漿料體系中填料的比例（7.5%)不變，逐漸增大亞麻漿的比例，減少煙草漿的 比例，研究亞麻配比對漿料體系濕部電荷特性的影響，得到的漿料體系的濕部電荷特性 如圖2-14所示。

-7

0.155¬

0.150-

I—I

〇.

0.145-

Q-

^ 0.140-

 

30

0.135-11

246810121416

亞麻配比（°%)

圖2-14亞麻配比對漿料體系的濕部電荷特性的影響 Fig.2-14 The effect of Flax pulp ratio on charge charateristics

由圖2-14知，隨著亞麻配比的增加，漿料體系的陽離子需求量以及Zeta電位都呈 現(xiàn)出下降的趨勢。這是因為亞麻漿本身的陽離子需求量和Zeta電位就比煙草漿的低， 隨著亞麻漿配比增加，漿料體系中陽離子需求量少、Zeta電位低的亞麻漿的量在逐漸增 加，而陽離子需求量大、Zeta電位高的煙草漿的量在逐漸減少，所以漿料體系的陽離子 需求量和Zeta電位就下降。

2.2.4.7填料添加量對漿料體系濕部電荷特性的影響

保持漿料體系中亞麻漿的比例（7.5%)不變，逐漸增大填料的比例，降低煙草漿的 比例，研究填料添加量對漿料濕部漿料電荷特性的影響。得到漿料體系的濕部電荷特性 如圖2-15.

0.160- 

 

圖2-15填料添加量對漿料體系的濕部電荷特性的影響 Fig.2-15 The effect of CaC〇3 adding ratio on charge charateristics

由圖2-15知，隨著填料添加量的增加，漿料體系的陽離子需求量以及Zeta電位都 呈現(xiàn)出下降的趨勢。當不添加填料，漿料體系只含5%亞麻漿和95%煙草漿時，漿料體 系的陽離子需求量以及Zeta電位分別為：0.259mmol/L和-8.7mV；當漿料體系含15°% 的填料、5%的亞麻以及80%的煙草漿時，漿料體系的陽離子需求量以及Zeta電位分別 下降到：0.108mmol/L和-9.1mV。填料添加量從0增加到15%，漿料體系的陽離子需求 量下降了近60%，這說明填料對漿料體系陽離子需求量的貢獻要遠遠小于煙草漿對漿料 體系陽離子需求量的貢獻。由于，填料粒子表面帶有負電荷，加之填料有著非常高的比 表面積，填料表面的電荷密度較大，所以在細小纖維和填料都存在的體系里，隨著填料 量的增加，Zeta電位也會降低。此外，通過圖2-15我們也可以發(fā)現(xiàn)，并不是漿料體系 的Zeta電位的絕對值越大，其陽離子需求量也就越高。漿料體系的Zeta電位絕對值的 大小的取決于漿料體系中帶負電的細小組分(顆粒)的多少，添加填料后，漿料體系中含 有更多的帶負電的顆粒（填料顆粒），其Zeta電位的絕對值就越大；漿料體系的陽離子 需求量不僅取決于漿料體系中帶負電的細小組分(顆粒)的多少，還取決于漿料體系中的 帶負電的膠體溶解物質(zhì)的多少，煙草漿中含較多的帶負電的膠體溶解物質(zhì)，煙草漿在漿 料體系中占的比例越低，其陽離子需求量就越低。

2.2.4.8陽離子瓜爾膠用量對濕部漿料電荷濕部特性的影響

陽離子瓜爾膠是造紙法煙草薄片生產(chǎn)過程中較為常用的助留助濾劑，研究其對再造 煙葉漿料體系濕部電荷特性的影響，對指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要意義[81]。在漿料體系（含87.5% 煙草漿、5%亞麻漿和7.5%碳酸鈣）中加入不同量（對絕干漿的百分比）的陽離子瓜爾

31

膠并攪拌后，測量體系的陽離子需求量和Zeta電位，得到的數(shù)據(jù)如圖5。

0.20n-6

(VI〇曰曰)sd

 

0.00 J-10 0.00.20.40.60.81.01.2

瓜爾膠用量（°%)

圖2-16不同瓜爾膠用量對濕部漿料電荷特性 Fig.2-16 The effect of CGG dosage on charge charateristics

^#392 -8-9

■ PCD

由圖2-16知，隨著陽離子瓜爾膠加入量的增大，漿料體系的陽離子需求量逐漸降 低，漿料體系的Zeta電位逐漸升高。陽離子瓜爾膠的加入量從0增加到1.2%，漿料體 系的陽離子需求量從0.1534mmol/L降低為0.0509mmol/L，降低了近70°%，這說明陽離 子瓜爾膠能吸附漿料體系中的帶負電的細小組分和纖維，起到助留助濾的效果。陽離子 瓜爾膠的加入量在0?0.4%時，漿料體系的陽離子需求量降低的最為明顯，當瓜爾膠用 量為0.4%時，能使?jié){料體系的陽離子需求量降低42.5%，再增加瓜爾膠的用量，其降 低的趨勢漸弱。陽離子瓜爾膠的加入量從0增加到1.2%，漿料體系的Zeta電位從-8.5mV 升高到-7.1mV，Zeta電位的變化不明顯，這主要是因為Zeta電位在-4?-9mV的范圍內(nèi) 屬微負值的范圍，加之其又在堿性體系（漿料體系pH值為8.13)，含有OH-，外加陽 離子物質(zhì)很難再降低其Zeta電位。

2.3本章小結(jié)

本章主要研究了造紙法再造煙葉漿料的纖維形態(tài)、濕部化學(xué)特性，得出以下結(jié)論:

(1)煙草漿料中主要含有煙梗纖維和不規(guī)則的煙末團簇。煙梗纖維很多都是纖維 束，很多都有明顯切斷的痕跡，也有單根的煙梗纖維；煙末團簇主要是煙葉不同組織細 胞的集合體，煙葉組織細胞長度、寬度不一，但都較小，在打漿過程中很容易從團簇中 解離出來形成漿料中的細小組分。

(2)煙草漿的質(zhì)均長度、寬度分別為1.01mm、25.37um，并有較大的粗度，這對

成紙的松厚度有正面影響。煙草漿的長寬比接近30,屬于成紙性能較差的纖維。

32 

(3)通過分析煙草漿料體系的電荷特性，發(fā)現(xiàn)煙草漿的陽離子需求量很高，Zeta 電位卻很低，分別為0.2185mmol/L，-8.00mV。陽離子電荷需求量高，說明在煙草漿料 體系中存在很多的陰離子干擾物質(zhì)，不利于陽離子助劑的引入；漿料Zeta電位低說明， 漿料表面游離羥基較少，成紙強度性能可能較差。

(4)通過研究由煙草漿、亞麻漿和碳酸鈣組成的造紙法再造煙葉漿料體系的濕部 電荷特性發(fā)現(xiàn)：pH值對煙草漿料體系的電荷特性影響較大，隨著pH值的升高，煙草 漿的Zeta電位絕對值和溶膠物質(zhì)的陽離子需求量都隨之增大，Zeta電位在酸性范圍內(nèi) 比在堿性范圍內(nèi)的變化幅度大；漿濃或打漿度增大，陽離子需求量和Zeta電位都隨之 增大，打漿度從30°SR提高到60°SR，陽離子電荷需求量從0.15mmol/L上升到 0.25mmol/L，增加了 67%;而添加外纖及填料都使再造煙葉漿料體系的陽離子需求量 及Zeta電位降低；陽離子瓜爾膠能夠顯著降低再造煙葉漿料體系的陽離子需求量并大 幅提高Zeta電位，瓜爾膠用量為0.04%時，能使?jié){料體系的陽離子需求量降低42.5%并 將Zeta電位控制在微負范圍內(nèi)，有利于漿料的留著。

33

第三章陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物在離子液體中

的改性合成

瓜爾膠具有較好的水溶性和增稠性能，但具有水不溶物含量高、溶解速度慢、粘度 不易控制、耐熱耐生物降解耐電解質(zhì)性能差等缺點。在其工業(yè)化應(yīng)用的時候常常對其進 行醚化、酯化、氧化、自由基聚合以及金屬交聯(lián)等方面的改性，以得到不同性能的特質(zhì) 產(chǎn)品，擴大其應(yīng)用范圍。

瓜爾膠接枝共聚丙烯酰胺可以提高瓜爾膠的耐生物降解，耐熱以及耐機械剪切性 能。傳統(tǒng)的瓜爾膠接枝共聚反應(yīng)一般是以水為反應(yīng)介質(zhì)，但是瓜爾膠水溶性能并不是很 好，溶解時增稠明顯，水溶液粘度大，使反應(yīng)分子的運動和碰撞幾率下降，反應(yīng)效率較 低，難以得到高固含量、高接枝效率的接枝產(chǎn)品，且水溶液體系中接枝產(chǎn)品的分子量偏 低，副反應(yīng)多；產(chǎn)品后期難處理。以離子液體為反應(yīng)介質(zhì)，離子液體穩(wěn)定性好，耐高溫， 可以充分溶脹瓜爾膠，且能起到催化活性的作用，以它為反應(yīng)介質(zhì)，具有節(jié)省設(shè)備體積 (如果以水為介質(zhì)的話，1g瓜爾膠反應(yīng)，需要能裝得下100g水的設(shè)備體積，而以離子 液體為反應(yīng)介質(zhì)，1g瓜爾膠反應(yīng)，只需要能裝得下20g離子液體的設(shè)備體積），縮短反 應(yīng)時間，后期產(chǎn)品易處理等優(yōu)點，而且離子液體可以重復(fù)利用。真正符合綠色、環(huán)保、 節(jié)能的概念。

瓜爾膠接枝丙烯酰胺屬于自由基聚合反應(yīng)，反應(yīng)速度快但關(guān)鍵在于初始引發(fā)劑自由 基的產(chǎn)生。過硫酸鉀是一種價廉的引發(fā)劑，常被用來做接枝共聚的初始自由基引發(fā)劑。 本次實驗就是采用過硫酸鉀做引發(fā)劑，在離子液體中引發(fā)陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺聚 合，其聚合機理如下：

過硫酸鉀引發(fā)劑引發(fā)瓜爾膠接枝的機理與Ce4+引發(fā)瓜爾膠接枝的機理相似，即過硫 酸鉀產(chǎn)生的自由基進攻瓜爾膠，從而在瓜爾膠大分子上產(chǎn)生游離基，與丙烯基單體接枝 聚合。接枝聚合反應(yīng)可按如下機理進行[82]

(1)初級自由基的生成： k

S2〇2— ? 2SO- •

k'

2SO— • + H2O ? HSO— + HO*

k

2HO* ? H2O + 1/2O2

34

SO- •和HO •都可以引發(fā)接枝共聚及均聚反應(yīng)，以X代表單體，進一步反應(yīng)如下:

(2)陽離子瓜爾膠分子自由基的形成：

CGG-OH + SO-? HSO- + CGG-O*

CGG-OH + HO CGG-O* + H2O

陽離子瓜爾膠自由基經(jīng)鏈引發(fā)、鏈增長、鏈轉(zhuǎn)移、鏈終止，最后變?yōu)镃GG-PAM:

(3)鏈引發(fā)：

CGG-O • + X ? CGG-X •

(4)鏈增長：當陽離子瓜爾膠分子自由基引發(fā)單體后，便立即進行鏈增長反應(yīng)， 包括陽離子瓜爾膠與單體接枝共聚反應(yīng)和單體均聚反應(yīng)，鏈增長過程為：

CGG-X • + X ? CGG-X-X • + M?1

CGG-Xn •

X • + X? X2 • + X?  ? Xn •

(5)鏈轉(zhuǎn)移：在反應(yīng)過程中，鏈自由基除了進行鏈增長這一主體反應(yīng)外，它還可 能與單體及陽離子瓜爾膠發(fā)生自由基轉(zhuǎn)移的反應(yīng)，過程如下：

CGG-Xn-1 • + X ? CGG-Xn-1 + X •

CGG-Xn-1 • + CGG-OH ? CGG-Xn-1 + CGG-O • + H+

(6)鏈終止：自由基的終止方式為雙基終止，大部分生成陽離子一單體接枝共聚 物，還生成了單體的均聚物，過程如下

CGG-Xn • + CGG-Xm • ? CGG-Xm+n

Xn • + Xm? Xm+n

本章實驗在合成了陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物以后，利用現(xiàn)代表征測試手 段對共聚物的產(chǎn)品進行了表征及測試，以證明接枝接枝共聚的成功進行及認識接枝共聚 物產(chǎn)物的性能優(yōu)勢。

35

3.1實驗部分 3.1.1實驗原料

N-甲基咪唑、氯代正丁烷、烯丙基氯均為化學(xué)純，由北京百順化學(xué)有限公司提供， 使用前均蒸餾，其中由于N-甲基咪唑沸點較高，因此減壓蒸餾；3-氯-2-羥丙基三甲基 氯化銨（CTA):工業(yè)級，有效成分含量69%，美國陶氏公司；異丙醇：分析純，國 藥集團化學(xué)試劑有限公司；瓜爾膠：工業(yè)級，取自佛山某公司；丙烯酰胺（AM)，分 析純，含量>99.0%，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；工業(yè)酒精（乙醇含量95%)， 廣州精科化玻儀器有限公司；無水乙醇：分析純，廣州化學(xué)試劑廠；氮氣：化學(xué)純， 廣州精科化玻儀器有限公司。

3.1.2實驗儀器

江蘇常州澳華儀器有限公司DF-II型集熱式磁力攪拌器；上海尼潤智能科技有限公 司Brookfield粘度計；上海恒一科技有限公司真空干燥箱；上海索譜儀器有限公司旋 轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；美國PE公司Spectrum GX型傅立葉變換紅外光譜儀；德國Bruker公司 AVANCE Digital 4000MHz核磁共振波譜儀；日本Hitachi公司S-3700N掃描電鏡；美 國Wyatt公司凝膠色譜儀；美國TQA公司Q500熱重分析儀；美國TA公司AR550流 變儀。

3.1.3實驗方法

3.1.3.1陽離子瓜爾膠的合成

將50g的瓜爾膠原粉分散在乘有120g異丙醇的三口燒瓶中，磁力攪拌并通氮氣， 加入40%質(zhì)量分數(shù)的氫氧化鈉18g在低溫水浴中堿化一定時間（40min)，再加入69% 純度的陽離子醚化劑（3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨)，在氮氣的保護下加熱到55°C反應(yīng) 2小時。反應(yīng)完成后用乙酸調(diào)節(jié)pH到中性，然后向溶液中加入過量的酒精，將產(chǎn)物從 溶液中沉淀出來，通過布氏漏斗過濾，反復(fù)用酒精洗滌過濾數(shù)次，將所得白色物質(zhì)置于 60C的真空干燥箱中干燥4h,最后所得粉末即為陽離子瓜爾膠。陽離子瓜爾膠再溶解 在蒸餾水中，重復(fù)用酒精沉淀，洗滌，得到純化瓜爾膠，純化瓜爾膠再用凱氏定氮法測 定氮含量，確定其陽離子取代度。

36

3.1.3.2 [BMIM]CI離子液體的合成

分別將一定量的N-甲基咪唑和1-氯丁烷(摩爾比1:2)加入到三口燒瓶中，在80°C， N2的保護下進行磁力攪拌并冷卻回流反應(yīng)12h后，當回流液滴較少基本上無回流現(xiàn)象 時，可以判斷反應(yīng)基本上完成，停止反應(yīng)。將得到的產(chǎn)物利用無水乙醚混合萃取，除去 未反應(yīng)完全的N-甲基咪唑。將萃取后的溶液進行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，再將所得產(chǎn)品放在80C真 空干燥箱中干燥48h,得到透明淡黃色的液體，用硝酸銀滴定測定其純度后裝入瓶中密 封保存待用。

3.1.3.3陽離子瓜爾膠-丙烯釀胺接枝共聚物的合成

將1g陽離子瓜爾膠和ng丙烯酰胺分別溶解到10g的離子液體中，溶解陽離子瓜 爾膠的10g離子液體加入到三口燒瓶中在特定溫度，N2的保護下進行磁力攪拌，并加 入特定量的過硫酸鉀作為引發(fā)劑，引發(fā)陽離子瓜爾膠產(chǎn)生自由基，再滴加溶有丙烯酰 胺的10g離子液體并反應(yīng)一段時間，然后用乙醇沉淀，抽濾沉淀物，繼續(xù)用酒精洗滌 浸泡沉淀物，將固沉淀物收集，然后置于60C,真空0.1 MPa的烘箱中烘干到恒量稱 重得初產(chǎn)物。稱粗產(chǎn)物2 g置于索氏抽提器中，用60 : 40的(體積比)的乙二醇2冰醋 酸混合溶液100 mL抽提4h,抽提好的固形物用布氏漏斗過濾，并用大量的無水酒精洗 滌，以除去均聚物，產(chǎn)物于60C真空干燥至恒量，得到純的接枝共聚物。

通過正交試驗和單因素試驗分別考察丙烯酰胺單體與陽離子瓜爾膠配比，反應(yīng)溫 度、引發(fā)劑用量、和反應(yīng)時間對丙烯酰胺-陽離子瓜爾膠共聚物取接枝率和接枝效率的 影響，確定最佳工藝條件。

3.1.3.4接枝聚合參數(shù)的計算

(1)接枝率：接枝率G表示基體所接上的單體質(zhì)量與基體質(zhì)量的比值。接枝率越 大，接上的單體質(zhì)量越多；反之，接上的單體質(zhì)量越少。計算公式為：

G = WZW(3-1)

W

式中：W0—陽離子瓜爾膠的質(zhì)量，g W1一一純化后接枝共聚物的質(zhì)量

(2)接枝效率：實驗中丙烯酰胺的接枝效率為參與接枝反應(yīng)消耗的丙烯酰胺占加 入的丙烯酰胺的質(zhì)量分數(shù)。計算公式為：

37

GE = Wl - W〇 x 100%(3-2)

M

式中：GE——丙烯酰胺的接枝效率，°%

M——加入的丙烯酰胺的質(zhì)量，g W〇，Wi同上

(3)單體轉(zhuǎn)化率：實驗中丙烯酰胺的單體轉(zhuǎn)化率為參與反應(yīng)（共聚和均聚）消耗

的丙烯酰胺占加入的丙烯酰胺的質(zhì)量分數(shù)

CT = W2 -W〇 x100%(3-3)

M

式中：W2——接枝粗產(chǎn)物的質(zhì)量，g W0，M同上

3.1.3.5樣品的紅外表征

將純化后的接枝共聚物，陽離子瓜爾膠和瓜爾膠原粉研磨后經(jīng)KBr壓片，用 Spectrum GX型傅立葉變換紅外光譜儀進行測試。

3.1.3.6 13C-NMR 分析

將純化后的接枝共聚物，陽離子瓜爾膠和瓜爾膠原粉經(jīng)研磨后由AVANCE Digital 4000MHz核磁共振波譜儀分別測定兩種固體粉末的13C-NMR。

3.1.3.7掃描電鏡分析

將純化后的接枝共聚物，陽離子瓜爾膠和瓜爾膠原粉研磨烘干后分散附著于樣品臺 上，噴金制樣。然后用日立公司S-3700N掃描電鏡在不同倍數(shù)下觀察。SEM檢測條件: EHT (加速電壓）：10.00kV，WD (工作距離）：10mm，Signal A: SE1 (二次電子）。

3.1.3.8熱重分析

將純化后的接枝共聚物，陽離子瓜爾膠和瓜爾膠原粉用TQA公司Q500型熱重分 析儀測試產(chǎn)品的耐熱性能。測試條件：在氮氣氛圍下，升溫速度10°C/min，溫度范圍 25-700°C。

3.1.3.9粘度的測定

將樣品溶于水配成濃度為1%的溶液，用Brookfield粘度計測定粘度。粘度計轉(zhuǎn)子

38

轉(zhuǎn)速為100rpm,測試溫度25°C。

3.1.3.10分子量的測定

將一定量的樣品溶于水，過0.45pm微孔濾膜，然后用微量進樣器吸取20^L注入 凝膠滲透色譜儀中測定樣品的分子量及分子量分布指數(shù)。測試前需要測定樣品的Dn/Dc 值，方法為：將樣品配成一定濃度梯度的標準溶液，然后選擇Dn/Dc測試程序測試測 定。本實驗所用檢測器為Watty公司DAMN HELE OS- II型示差折光檢測器，Optilab rEX 型激光光散射檢測器：色譜柱：安捷倫PL Aquagel-OH色譜柱；柱溫：40C;流動相： 0.04°%疊氮化鈉溶液；流速：0.5mL/min。

3.1.3.11流變性能測試

將樣品配成1%的水溶液，用TA公司AR550型流變儀測試不同剪切速率時的粘度。 測試溫度25 C，40mm平行鋼板。

3.2結(jié)果與討論

3.2.1陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺在離子液體中接枝聚合的正交實驗分析

在陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺的接枝反應(yīng)過程中，單體用量，引發(fā)劑用量，反應(yīng)時間 和反應(yīng)溫度對接枝效果的影響較大，實驗設(shè)計了四因素三水平正交實驗，采用L9 (34) 正交表，以接枝率為指標，探討了以上四因素對接枝效果的影響。表3-1為正交實驗因 素水平表，表3-2為實驗結(jié)果，表3-3為正交實驗單體轉(zhuǎn)化率極差分析結(jié)果，表3-4正 交實驗接枝率極差分析結(jié)果。

表3-1正交實驗因素與水平 Table3-1 Factors and levels of orthogonal experiment

因素水平

123

陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺的質(zhì)量比（g/g) A1:11:21:3

陽離子瓜爾膠與引發(fā)劑的質(zhì)量比（g/g) B20:115:110:1

反應(yīng)溫度（min) C405060

反應(yīng)時間（h) D123

39

 

表3-2正交實驗結(jié)果

Table3-2 The results of orthogonal experiment

編號ABCDCT (%)G (%)GE(%)

1111113.379.9774.56

2122231.4827.5487.47

3133345.0340.6890.34

4212347.2488.6593.82

5223149.4892.9893.97

6231215.8727.7987.55

7313275.95218.0195.68

8321315.5242.1790.56

9332171.30204.4795.60

由表3-3正交實驗單體轉(zhuǎn)化率極差分析結(jié)果知RC> RA> RB> RD,因此因素對單體轉(zhuǎn) 化率的影響的主次順序為反應(yīng)溫度 > 陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺的質(zhì)量比 > 陽離子瓜爾膠 與引發(fā)劑的質(zhì)量比 >反應(yīng)時間。過硫酸鉀引發(fā)陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺聚合是自由基聚 合，自由基聚合的關(guān)鍵在于初始自由基的產(chǎn)生，一旦產(chǎn)生初始自由基，聚合反應(yīng)的的速 度就快，程度也較徹底，過硫酸鉀產(chǎn)生過硫酸自由基一般需要60°C左右的熱條件，所 以溫度成為影響單體轉(zhuǎn)化率最為主要的因素。單體轉(zhuǎn)化率極差分析確定的最優(yōu)組合為： A3 B1C3D1，即陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺的質(zhì)量比為1:3、陽離子瓜爾膠與引發(fā)劑的質(zhì) 量比為20:1、反應(yīng)溫度60C,反應(yīng)時間為1h。

由表3-4正交實驗接枝率極差分析結(jié)果可知RA> RC> RB> RD,因此因素對接枝率 的影響的主次順序為陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺的質(zhì)量比 > 反應(yīng)溫度> 陽離子瓜爾膠與引 發(fā)劑的質(zhì)量比 >反應(yīng)時間。陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺的質(zhì)量比直接決定了產(chǎn)物接枝率的 高低；其次是反應(yīng)溫度，合適的反應(yīng)溫度將提高陽離子瓜爾膠分子的反應(yīng)活性，有利于 自由基的產(chǎn)生和自由基聚合反應(yīng)的進行，反應(yīng)溫度過低接枝效率較低，反應(yīng)溫度過高又 會增加接枝聚合物的降解，影響產(chǎn)品得率；反應(yīng)時間對接枝率的影響是次要的。由表 4-4可以看出，反應(yīng)的最優(yōu)組合為A3 B1C3D1，即陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺的質(zhì)量比為

40

1:3、陽離子瓜爾膠與引發(fā)劑的質(zhì)量比為20:1、反應(yīng)溫度60°C，反應(yīng)時間為1h。

表3-3正交實驗單體轉(zhuǎn)化率極差分析結(jié)果 Tab. 3-3 CT% range analyses of orthogonal results

約/古 _因素

均但ABCD

K129.9645.5214.9244.71

K237.5332.1650.0141.10

K354.2644.0756.8235.93

R24.3013.3641.908.78

表3-4正交實驗接枝率極差分析結(jié)果 Table3-4 G% range analyses of orthogonal results

均值因素

ABCD

K126.06105.5426.64102.47

K269.8154.23106.8991.11

K3154.8891.04117.2257.17

R128.8251.3190.5845.30

正交實驗單體轉(zhuǎn)化率極差分析結(jié)果和接枝率極差分析結(jié)果確定的最佳條件一致，都 是陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺的質(zhì)量比為1:3、陽離子瓜爾膠與引發(fā)劑的質(zhì)量比為20:1、 反應(yīng)溫度60C，反應(yīng)時間為1h。為了進一步優(yōu)化接枝共聚的反應(yīng)參數(shù)，在正交實驗的 基礎(chǔ)上，又對每一個因素進行不同水平的單因素實驗，并綜合考察了各個因素對接枝率、 單體轉(zhuǎn)化率以及接枝效率的影響。

3.3.2陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺在離子液體中接枝聚合的單因素實驗

3.3.2.1單體用量對接枝共聚反應(yīng)的影響

保持陽離子瓜爾膠與引發(fā)劑的質(zhì)量比為20:1、反應(yīng)溫度60C，反應(yīng)時間為1h，改

41

變單體用量，研究單體用量對接枝聚合參數(shù)的影響。結(jié)果如圖4-1，從圖中可以看出， 隨著單體與陽離子瓜爾膠質(zhì)量比的增加，體系的接枝率不斷升高，這是因為隨著單體濃 度的增加，每個自由基平均引發(fā)接枝的單體數(shù)目也增加，增加了與大分子自由基接觸的 機會，接枝率也就隨之上升。單體轉(zhuǎn)化率隨著單體與陽離子瓜爾膠質(zhì)量比的增加而下降， 但是當單體與陽離子瓜爾膠的質(zhì)量比超過3后，單體轉(zhuǎn)化率的下降的幅度開始增大，這 可能是因為隨著單體數(shù)目的增加，沒有與引發(fā)劑接觸的單體分子的數(shù)目增加，參與到聚 合反應(yīng)的單體的數(shù)目減少，影響單體轉(zhuǎn)化率。接枝效率一直維持在95%的較高水平，但 當單體與陽離子瓜爾膠的質(zhì)量比超過4后，接枝效率急劇下降，這可能是因為當單體濃 度增加到一定程度后，與接枝聚合反應(yīng)競爭的均聚反應(yīng)機率有所增加。綜合接枝率、單 體轉(zhuǎn)化率以及接枝效率三個指標，單體與陽離子瓜爾膠質(zhì)量的較優(yōu)比值為3:1。 

 

 

 

 

 

 

 

250

200

150

100

50

0

 

反應(yīng)條件：CGG與引發(fā)劑的質(zhì)量比為20:1，反應(yīng)溫度60°C，反應(yīng)時間1h 圖3-1單體用量對接枝聚合參數(shù)的影響 Fig.3-1 Effect of monomer amount on grafting parameters

3.3.2.2溫度對接枝共聚反應(yīng)的影響

改變聚合反應(yīng)的溫度，考察溫度對接枝聚合反應(yīng)的影響。溫度對接枝聚合參數(shù)的影 響見圖4-2。由圖4-2可知，單體轉(zhuǎn)化率和接枝率都隨溫度的升高而增加，這是因為隨 著溫度的升高，體系產(chǎn)生的自由基增多，體系黏度減小，有利于單體擴散到陽離子瓜爾 膠附近，增加了和大分子自由基的接觸幾率，接枝反應(yīng)能夠順利進行。但接枝效率在溫 度超過55C后，有略微下降的趨勢，說明在較高溫度下有利于發(fā)生均聚反應(yīng)。此外溫 度過高不利于接枝活性中心的穩(wěn)定且大分子自由基發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移的速度大于鏈增長的速 度，分子量會有所降低，不利于獲得較高分子量的產(chǎn)品，因此陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺 在離子液體中接枝的最佳反應(yīng)溫度為55°C-60°C。

42

反應(yīng)溫度rc)

反應(yīng)條件：單體與CGG比為3:1，CGG與引發(fā)劑的質(zhì)量比為20:1，反應(yīng)時間1h 圖3-2反應(yīng)溫度對聚合反應(yīng)接枝參數(shù)的影響 Fig.3-2 Effect of reaction temperature on grafting parameters

3.3.2.3引發(fā)劑用量對接枝共聚反應(yīng)的影響

引發(fā)劑的作用是產(chǎn)生初級自由基，從而引發(fā)陽離子瓜爾膠和丙烯酰胺單體的接枝共 聚，因此引發(fā)劑的濃度對接枝效果也是很重要的影響因素。引發(fā)劑濃度對接枝聚合反應(yīng) 的影響見圖4-3，由圖4-3可以看出，隨著引發(fā)劑用量的增加，接枝率和接枝效率都會 減少，而單體轉(zhuǎn)化率卻增加，這說明隨著引發(fā)劑的增加聚合反應(yīng)傾向于丙烯酰胺的均聚 反應(yīng)。引發(fā)劑增加，產(chǎn)生過多的初始自由基，隨著丙烯酰胺的滴加，這些過多的自由基 誘使丙烯酰胺產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致丙烯酰胺與丙烯酰胺之間的聚合，而不是瓜爾膠自由基 有時丙烯酰胺產(chǎn)生自由基發(fā)生接枝共聚。由圖可知當引發(fā)劑在較低用量時，即陽離子瓜 爾膠與引發(fā)劑的質(zhì)量比為30:1時，接枝效率和接枝率已分別達到95°%和170°%的最高值。 所以確定引發(fā)劑最佳用量為陽離子瓜爾膠與引發(fā)劑的質(zhì)量比為30:1。

 

200

150

100

50

0

SS0

 

(％)齋^迆 o o

250

反應(yīng)條件：單體與CGG質(zhì)量比為3:1，反應(yīng)溫度60C，反應(yīng)時間1h 圖3-3引發(fā)劑用量對聚合反應(yīng)接枝參數(shù)的影響 Fig.3-3 Effect of initiator dosage on grafting parameters

43

 

200

180

160 - 140 ； 120 100

反應(yīng)條件：單體與CGG質(zhì)量比為3:1，引發(fā)劑與CGG質(zhì)量比為1:20，反應(yīng)溫度60°C

圖3-4反應(yīng)時間對聚合反應(yīng)接枝參數(shù)的影響 Fig.3-4 Effect of reaction time on grafting parameters

3.3.2.4反應(yīng)時間對接枝共聚反應(yīng)的影響

當單體與CGG的質(zhì)量比為3:1，弓丨發(fā)劑與CGG的質(zhì)量比為1:20,反應(yīng)溫度為60C 時，接枝聚合反應(yīng)時間對接枝參數(shù)的影響如圖3-4所示。由圖3-4可知，隨著反應(yīng)時間 的延長，單體轉(zhuǎn)換率不斷增加，接枝率和接枝效率先增加后減少。反應(yīng)時間為1h時， 接枝率和接枝效率達到最大值。瓜爾膠改性作造紙法再造煙葉濕部助劑研究，隨著反應(yīng)時間的進一步延長，反應(yīng)體系會變得較粘稠， 由于體系中游離單體濃度的降低和接枝側(cè)鏈的空間位阻效應(yīng)[83]，使得鏈增長的速度受 到單體擴散速度的限制，大分子鏈停止增長，接枝率和接枝效率都幾乎保持不變。因此， 實驗中合適的反應(yīng)時間為1h。傳統(tǒng)溶劑中接枝共聚一般需要三到四小時，說明以離子 液體為反應(yīng)介質(zhì)，可以縮短反應(yīng)時間。

3.3.3樣品的紅外表征

由瓜爾膠原粉、陽離子瓜爾膠和陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物的紅外譜圖3-5 可以看出，瓜爾膠在3313cm-1附近有寬的-OH峰，在2919 cm-1附近有飽和的-CH伸縮 振動吸收峰，在1152cm-1和1022 cm-1附近出現(xiàn)-C-O-C醚類的吸收峰，這些都是瓜爾膠 的特征吸收峰。陽離子瓜爾膠相比于瓜爾膠在1569 cm-1、1482 cm-1以及913 cm-1處多

了吸收峰，1482 cm-1處峰為與N+相連的-CH3反對稱變形吸收峰，這是陽離子胺基的吸 收峰，913 cm-1處峰為-C-N的彎曲振動的中強吸收峰，這些都說明瓜爾膠上成功接上了 陽離子胺基。而相比與陽離子瓜爾膠，陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物在3200 cm-1 出現(xiàn)了-NH的伸縮振動峰，并對-OH吸收峰形成了干擾。在1352 cm-1出現(xiàn)了-C-N的伸

44 

100

(％)3oucd+-*+-);j; sucdJh

 

 

4000350030002500200015001000500

Wavenumber(CM-1)

縮振動峰，加上其在1660 cm-1處-C=O伸縮振動峰明顯的加強，說明丙烯酰胺成功的接 枝到陽離子瓜爾膠上。

圖3-5瓜爾膠原粉，陽離子瓜爾膠和接枝共聚物的紅外譜圖 Fig.3-5 FT-IR spectra of GG , CGGand CGG-g-PAM

3.3.4 l3CNMR 分析

瓜爾膠、陽離子瓜爾膠及其陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物的核磁共振碳譜分 別如圖3-7、圖3-8和圖3-9所示。由圖3-7知，瓜爾膠核磁共振碳譜中分別含C1峰（5 103.3ppm 處峰），C2、C3、C5 峰（570.7 ppm 處峰，峰很尖銳），C4 峰（582.1 ppm 處 峰），C6峰（561.6 ppm處峰）。相比于瓜爾膠，陽離子瓜爾膠由于在C6位置上發(fā)生了 醚化反應(yīng)，接上了陽離子基團，空間位阻增大，再加上共軛效應(yīng)使碳峰移向高場，C6 峰由561.6ppm 變?yōu)?55.6ppm, C5 峰由570.6 ppm 變?yōu)?61.6 ppm, C4 峰由582.1 ppm 變 為80.9ppm, C1峰由5103.3 ppm變?yōu)?02.0ppm,而主鏈內(nèi)側(cè)C2, C3受其影響較少， 沒有發(fā)生化學(xué)位移。接枝共聚物的核磁共振碳譜與陽離子瓜爾膠的碳譜相比，分別在低 場5180.4ppm處和542.1ppm處多了兩個碳峰，低場中5180.4ppm是羰基的碳峰，因為 羰基SP2雜化，其峰比飽和烴的峰處于較低場的位移中，而542.1ppm則是聚丙烯酰胺 側(cè)鏈上的C7或C8峰。

45 

 

H2 c -

7

8

•CH-

〇^=C 9

I

NH2

卜=H,

■C2-

-C-

-CH

2

.CH3

N—CH3 Cl- \CH3

〇H

 

 

 

圖3-6 CGG-g-PAM的結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.3-6 The brief structure of CGG-g-PAM

圖3-7瓜爾膠的13C-NMR譜圖 Fig.3-7 13C-NMR spectra of GG

圖3-8陽離子瓜爾膠的13C-NMR譜圖 Fig.3-8 13C-NMR spectra of CGG

46 

 

 

圖3-10瓜爾膠的掃描電鏡分析 Fig.3-10 The SEM analysis of GG

圖3-9接枝共聚物的13C-NMR譜圖 Fig.3-9 13C-NMR spectra of CGG-g-PAM

 

 

 

圖3-11陽離子瓜爾膠的掃描電鏡分析圖3-12接枝共聚物的掃描電鏡分析

Fig.3-11 The SEM analysis of CGGFig.3-12 The SEM analysis of CGG-g-AM

3.3.5產(chǎn)物表面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡分析

將瓜爾膠原粉、陽離子瓜爾膠、陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物經(jīng)噴金處理后 置于掃描電鏡下放大1000倍觀察其表面結(jié)構(gòu)的變化，見圖3-10、圖3-11、圖3-12。從 圖中可以看出，未改性前，瓜爾膠原粉表面較光滑；而經(jīng)過陽離子化改性特別是接枝聚 合后，共聚物表面出現(xiàn)了許多細小的毛絨和溝壑，變得粗糙。這說明瓜爾膠參與反應(yīng)后， 表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

3.3.6熱重分析

圖3-13、3-14和3-15分別為瓜爾膠原粉、陽離子瓜爾膠及其陽離子瓜爾膠-丙烯酰 胺接枝共聚物的熱重分析譜圖。由圖3-13可知，瓜爾膠只有一個最快失重速度峰，在

47 

48

301.32°C處，此處瓜爾膠失去其自身重量的46.58%，此時瓜爾膠多聚糖分子鏈發(fā)生了斷 裂和降解；由圖3-14知，瓜爾膠經(jīng)過改性變成陽離子瓜爾膠，其耐熱性能變差，陽離 子瓜爾膠最大失重速度發(fā)生在268.63C處，此時陽離子瓜爾膠失去其自身重量的 41.39%。而又圖3-15知，CGG-g-PAM有兩個失重峰，分別為270.54C時失重31.50% 和351.22C時失重57.87%，前者歸因于接枝共聚物中酰胺基團的分解，后者則為瓜爾 膠主鏈的降解，由此可知PAM是以牢固的化學(xué)鍵結(jié)合在瓜爾膠主鏈上，接枝共聚物的 耐熱性能優(yōu)于瓜爾膠原粉和陽離子瓜爾膠。

 

Fig.3-13 The TG ganalysis of GG

 

Fig.3-14 The TG ganalysis of CGG

 

3.3.7流變性能分析

將GG、CGG和CGG-g-PAM分別配成1%的水溶液，其粘度隨剪切速率變化的曲 線如圖3-16所示。從圖中可以看出三種高分子溶液都表現(xiàn)出假塑性流體行為，即粘度 隨著剪切速率的增加而下降，但當剪切速率上升到1000轉(zhuǎn)/s時，三者的粘度都開始趨 于平緩。在相同剪切速率下，GG的粘度大于CGG-g-AM的粘度大于的粘度。這可能是 因為隨著化學(xué)改性的加劇，瓜爾膠主鏈分子降解比較厲害，使粘度降低，但由于 CGG-g-AM在CGG上接枝上了聚丙烯酰胺的支鏈，剪切空間阻力增大，所以其粘度又 大于CGG。

49

 

0500100015002000

剪切速率（1/s)

圖3-16粘度隨剪切速率的變化曲線 Fig.3-16 The curve of viscosity vs shear rate

3.3.8分子量的測定

表3-5瓜爾膠及其衍生物的分子量

Tab3-5 Molecular of GG and its derivatives

GGCGGCGG-g-AMCGG-g-AM

(55C)(60C)

重均分子量158.7 萬27.61 萬49.45 萬43.77 萬

利用美國Wyatt公司的凝膠色譜工作站分別測定了幾種瓜爾膠衍生的分子量，測定 結(jié)果見表3-5。由表3-5隨著化學(xué)改性的進行，瓜爾膠衍生物的分子量會逐漸變小。瓜 爾膠耐熱、抗酸堿性較差，在陽離子化的過程中經(jīng)過強堿堿化，又在60°C左右的環(huán)境 下反應(yīng)了一段時間，瓜爾膠分子鏈會發(fā)生斷裂，從而使得到的陽離子瓜爾膠分子量存在 較大程度的下降。陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物的分子量又大于陽離子瓜爾膠的 分子量，但隨著接枝反應(yīng)溫度的升高，分子量會下降。接枝反應(yīng)的發(fā)生使瓜爾膠有了聚 丙烯酰胺的支鏈，其主鏈仍為聚甘露糖，所以測得的重均分子量相比于陽離子瓜爾膠大。

3.4本章小結(jié)

(1)以離子液體為反應(yīng)介質(zhì)，過硫酸鉀為引發(fā)劑，引發(fā)了丙烯酰胺單體在陽離子 瓜爾膠骨架上的接枝共聚。研究了反應(yīng)過程中各種因素對接枝聚合參數(shù)的影響。通過四

50 

因素三水平的正交實驗及單因素實驗對反應(yīng)條件進行優(yōu)化，得出最佳的反應(yīng)條件為：單 體與陽離子瓜爾膠的質(zhì)量比為3:1，引發(fā)劑與陽離子瓜爾膠的質(zhì)量比為1:30,反應(yīng)溫度 為60°C，反應(yīng)時間為1h，在此條件下得出接枝共聚產(chǎn)物的接枝率達175%，接枝效率 95%以上。

(2)接枝共聚產(chǎn)物的紅外光譜譜圖上出現(xiàn)了陽離子瓜爾膠譜圖上未見的3200 cm-1 處-NH的伸縮振動峰、1352 cm-1處-C-N的伸縮振動峰，加上其在1660 cm-1處-C=O伸 縮振動峰明顯的加強，說明丙烯酰胺成功的接枝到陽離子瓜爾膠上。接枝共聚物的核磁 共振碳譜上由于C6位置發(fā)生了陽離子醚化反應(yīng)，接枝的基團屏蔽了 C6,使C6的化學(xué) 位移向高場偏移較多，而低場中5180.436ppm則是羰基碳的化學(xué)位移，542.108ppm是 聚丙烯酰胺側(cè)鏈上的C7或C8峰；從瓜爾膠原粉、陽離子瓜爾膠和接枝共聚物的掃描 電鏡照片中可以看出，未改性的瓜爾膠原粉表面較光滑，而經(jīng)過陽離子化改性特別是接 枝聚合后，共聚物表面出現(xiàn)了許多細小的毛絨和溝壑，變得粗糙。紅外、核磁和掃描電 鏡表征均證實了接枝聚合反應(yīng)的發(fā)生。

(3)接枝共聚物的熱重分析表明，CGG-g-PAM有兩個失重峰，分別為270.54C時 失重31.50%和351.22C時失重57.87%，而陽離子瓜爾膠只有一個最大失重峰，在

268.53C時失去最大重量41.18%，接枝共聚物的耐熱性能優(yōu)于陽離子瓜爾膠以及瓜爾膠 原粉；陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物的水溶液表現(xiàn)出假塑性流體行為。其粘度和 分子量都要大于陽離子瓜爾膠。

51

第四章瓜爾膠及其衍生物在造紙法再造煙葉中的應(yīng)用

瓜爾膠（guar gum)屬于可再生天然高分子物質(zhì)，是從瓜耳豆中提取的一種高純 化天然多糖（聚半乳甘露糖），分子結(jié)構(gòu)與纖維素極其相似。從結(jié)構(gòu)上看，瓜爾膠是 一種側(cè)鏈半乳糖包裹主鏈甘露糖的卷曲球形結(jié)構(gòu)，含有大量羥基，其中位于側(cè)鏈半乳 糖C6上的伯羥基最為活躍，容易發(fā)生醚化、酯化、氧化等反應(yīng)。由于瓜爾膠的天然性、 獨特的分子結(jié)構(gòu)和易改性的特點，使其改性產(chǎn)品迅速成為性能優(yōu)越的新型環(huán)保造紙助 齊儼4-85]。由于瓜爾膠的天然、無毒、燃燒無異味等特點，其改性產(chǎn)品也一直用作卷煙 紙濕部抄造助留助濾劑。

造紙法再造煙葉技術(shù)是實現(xiàn)卷煙工業(yè)降焦減害的重要技術(shù)。由于其對添加助劑的 特殊要求，在實際的生產(chǎn)過程中很少用到助劑，這使得造紙法生產(chǎn)煙草薄片的過程中 存在漿料濾水性能差、細小組分流失嚴重、白水污染負荷高等問題。迫于解決這些問 題的需要，人們已開始注意開發(fā)引入合適的助留助濾劑來解決這些問題，而在卷煙紙 生產(chǎn)過程中已得到工業(yè)化應(yīng)用的瓜爾膠及其衍生物變成了首要選擇。

本章把前面一章改性得到瓜爾膠接枝產(chǎn)物與其他瓜爾膠及其衍生物一起應(yīng)用到 造紙法再造煙葉的生產(chǎn)中去，研究了它們對造紙法再造煙葉漿料的助留助濾性能，考 察了它們對造紙法再造煙葉白水污染負荷的影響，也對比了它們對再造煙葉物理性能 的影響，以便為在造紙法再造煙葉的生產(chǎn)中工業(yè)化應(yīng)用瓜爾膠及其改性產(chǎn)品提供指導(dǎo)。

4.1實驗部分 4.1.1實驗原料

煙草漿：取自汕頭某工廠；亞麻漿：取自汕頭某工廠（作為外纖加入，以增強再造 煙葉基片的物理性能）；瓜爾膠（GG):市售商品；陽離子瓜爾膠（CGG-1):市售 商品；陽離子瓜爾膠2 (CGG-2):實驗室自制；陽離子羥丙基瓜爾膠（CHPG): 實驗室自制；陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物（CGG-g-AM):實驗室自制；填料 碳酸鈣：市售商品。

4.1.2實驗儀器

美國PRM公司DDJ2#型動態(tài)濾水儀；長春小型實驗機廠ZJG—100型打漿度測定

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儀；美國HACH公司DR2800型COD消解裝置及檢測儀；美國HACH公司Sension 5 型電導(dǎo)率儀；奧地利PTI公司RK3-KWTjul型快速凱賽紙頁成型器；瑞典L&W公司 SE064型抗張強度測定儀；長春小型實驗機廠ZSE-1000撕裂強度儀；法國Techpap公 司 2D Lab Formation Sensor 型勻度儀。

4.1.3實驗方法

4.1.3.1再造煙葉漿料的準備

實驗所用漿料按照汕頭某工廠的實際生產(chǎn)情況，由煙草漿和亞麻漿按一定比例配 制，并添加一定配比的碳酸鈣。一般情況下配好的漿料含87.5%的煙草漿、5%的亞麻 漿和7.5°%的碳酸鈣。

4.1.3.2助留助濾實驗

留著率的測定采用動態(tài)濾水儀，按照文獻[86]中的方法，首先測定了漿料體系的 細小組分含量，然后通過采用濁度計間接測定動態(tài)濾水儀下濾液中細小組分濃度的方 法，對細小組分的單程留著率進行了測定，以研究瓜兒膠衍生物的對造紙法煙草薄片漿 料的助留助濾性能。該實驗的過程中用的動態(tài)濾水儀濾網(wǎng)為125目。細小組分單程留著 率的計算公式為：

細小組分首程留著率FPR= (1-C/〇)) X100%

其中：C---動態(tài)濾水儀下濾液濃度，％; C0---漿料中總細小組分濃度，％。

漿料的濾水性能用打漿度來表示，用打漿度測定儀測定煙草漿料的打漿度。打漿度 的測定按照GBT 3332-2004中規(guī)定的方法進行。

4.1.3.3白水固體懸浮物的測定

一定體積的水樣用0.45um孔徑濾膜過濾后，留在濾膜上的固體經(jīng)烘干稱重，再除 以水樣的體積得出水中懸浮物的含量（mg/L)。計算公式為：

懸浮物含量（mg/L) =(mA-mB)X106/V 式中：mA——烘干的懸浮物+濾膜質(zhì)量，g

mB濾膜及稱量瓶質(zhì)量，g

V 樣品體積，ml

53

4.1.3.4白水電導(dǎo)率、CODcr的測定

白水檢測前先經(jīng)沉淀、0.45um微孔濾膜過濾，再分別用美國HACH公司DR2800 型COD檢測儀、Sension 5型電導(dǎo)率儀檢測其COD值和電導(dǎo)率值，COD采用重鉻酸鉀

法。

4.1.3.5再造煙葉基片的抄造

漿料在疏解10min后，加入定量的瓜爾膠助劑，并用玻璃棒攪拌3min,再倒入抄 片器中抄片成形，干燥?？紤]到抄造時纖維的損失，抄造基片的定量為70g/m2。

4.1.3.6再造煙葉基片物理性能的測定

按照國家的相關(guān)標準，使用相對應(yīng)的檢測儀器分別對再造煙葉基片的定量，厚度， 及抗張強度，撕裂強度進行測定?；膭蚨炔捎梅▏鳷echpap公司的2DLab Formation Sensor測定，得出的是勻度指數(shù)指標，改指標值越小越好。

4.2結(jié)果與討論

4.2.1幾種瓜爾膠衍生物的特征

表4-1:幾種瓜爾膠衍生物的分子量及取代度 Tab.4-1. Molecular and degree of substitution of GG and its derivatives

GGCGG-1CGG-2CGG-g-AMCHPG

分子量159萬21.7 萬27.6 萬49.5 萬162萬

陽離子取代度0.140.200.20

本實驗中所用的瓜爾膠衍生物有市售商品和實驗室改性產(chǎn)品。瓜爾膠（GG)和陽 離子瓜爾膠1 (CGG-1)均為為市售商品；陽離子瓜爾膠2 (CGG-2)由瓜爾膠經(jīng)過低 溫堿化再跟陽離子醚化劑（1--氯-2-羥丙基三甲基氯化銨）在醇水溶液中反應(yīng)而來；陽 離子瓜爾膠-丙烯酰胺接枝共聚物（CGG-g-AM)是由陽離子瓜爾膠2和丙烯酰胺以一 定比例，在BMIMCl離子液體中加過硫酸鉀作催化劑反應(yīng)而來；陽離子羥丙基瓜爾膠 (CHPG)由瓜爾膠先低溫堿化，再加陽離子醚化劑和環(huán)氧氯丙烷在醇水溶液中反應(yīng)而來。 它們的分子量及取代度見表4-1。

54

4.2.2瓜爾膠及其衍生物的助留助濾性能 4.2.2.1瓜爾膠及其衍生物的助留性能

瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉漿料的助留性能是通過考察它們對漿料中總 細小組分的首程留著率的影響來表現(xiàn)的。不同的瓜爾膠衍生物對造紙法再造煙葉漿料中 細小組分的首程留著率數(shù)據(jù)如圖4-1。

 

圖4-1用量對細小組分留著率的影響 Fig.4-1 Effect of additives dosage on FPR

由圖4-1知，添加瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉漿料中總細小組分首程留著 率的提高并不明顯。CHPG是瓜爾膠及其衍生物中助留性能最好的，在添加0.08%絕干 漿用量的情況下，能使總細小組分首程留著率從62.5%提高到88.5%;其次是CGG-g-AM 和CGG-2，在0.08%用量下，都能使?jié){料總細小組分留著率提高24%；由于瓜爾膠不 含陽離子基團，雖然其有著較大的分子量，瓜爾膠改性作造紙法再造煙葉濕部助劑研究，但其助留效果不明顯。CHPG和CGG-g-AM 都含陽離子基團以及支鏈，但分子量較小的CGG-g-AM的助留性能不如CHPG，原因 可能是CGG-g-AM分子量小，通過電中和作用以及架橋作用和細小組分形成的絮聚團 較小，容易漏過網(wǎng)口，所以其助留性能不如CHPG。

4.2.2.2瓜爾膠及其衍生物的助濾性能

瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉漿料的助濾性能是通過考察它們對漿料打漿 度的影響來實現(xiàn)的。由于草類原料含有較多的雜細胞，在打漿過程中，雜細胞很容易破 碎，致使打漿度上升很快，引起濾水困難，因此添加助劑提高其濾水性能顯得尤為重要。 圖4-2是不同用量的瓜爾膠及其衍生物對煙草漿料打漿度的影響數(shù)據(jù)。

55 

20

(HS0«絳te

 

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

用量（％)

 

圖4-2用量對打漿度的影響 Fig.4-2 Effect of additives dosage on beating degree

由圖4-2知在沒有添加任何瓜爾膠及其衍生物的情況下，煙草漿料的打漿度為 42°SR，在添加瓜爾膠及其衍生物后，煙草漿料的打漿度有所下降，下降的趨勢相近： 隨著瓜爾膠及其衍生物添加量的增加，煙草漿料的打漿度是不斷下降的；在添加量小于 0.08%時，打漿度下降的趨勢比較明顯，后面隨著添加量的繼續(xù)增加，打漿度雖仍有所 下降，但趨于緩和，由此綜合考慮添加效果及成本，瓜爾膠及其衍生物在改善再造煙葉 漿料助濾性能時最好的添加量為0.08%左右。分子量較大，且?guī)ш栯x子基團和支鏈結(jié)構(gòu) 的的CHPG的助濾性能最好，其次是CGG-g-AM和CHPG。它們在0.08%用量時，分 別能降低打漿度18°SR 16°SR和16°SR。分子量大且?guī)д姾傻墓蠣柲z衍生物，能通 過電中和、架橋、網(wǎng)絡(luò)絮聚等作用與細小組分形成大的絮聚體，不易堵塞纖維交織形成 的濾水空隙，所以其助濾性能較好。

4.2.3瓜爾膠及其衍生物對白水污染負荷的影響

按煙草漿87.5°%、亞麻漿7.5°%和碳酸鈣5°%的比例配0.5°%漿濃的漿料若干，取500mL 漿料，加入瓜爾膠及其衍生物助劑（助劑的用量固定為絕干漿料的0.08%)，攪拌均勻 后轉(zhuǎn)移到DDJ儀中，開動攪拌器，10s后打開排水閥門并收集前200mL濾液作為白水， 測量白水的相關(guān)污染指標，研究瓜爾膠及其衍生物對白水污染負荷的影響。

4.2.3.1瓜爾膠及其衍生物對白水固體懸浮物的影響

圖4-3為不加助劑（空白）和加了瓜爾膠及其衍生物白水中固體懸浮物的數(shù)據(jù)。由 圖知，在不加任何助劑的情況下，白水中的固體懸浮物為614mg/L,加了瓜爾膠及其衍

56 

生物助劑后 白水固體懸 左右。瓜爾j 了白水中固

，白水的固體 浮物降低的效 晈及其衍生物: 體懸浮物的含

懸浮物出現(xiàn)了不同程度的下降。其中CGG-g- 果最好。在0.08%用量時，能使白水中的固體 通過電中和等絮凝作用提高了漿料中細小組分

量。

AM和CHPG對

懸浮物降低30%

、的留著率，降低

650-

400-

5550

50

 

空白

GG

CGG-1 CGG-2 CGG-g-AM CHPG

4.2.3.2 瓜:

圖4-3瓜爾膠及其衍生物對白水固體懸浮物的影響 Fig.4-3 Effect of additives dosage on SS of whitewater

爾膠及其衍生物對白水電導(dǎo)率的影響

圖 4-4

用的是自來

320-

300-

280-

260-

240-

 

空白

GG CGG-1 CGG-2 CGG-g-AM CHPG

圖4-4瓜爾膠及其衍生物對白水電導(dǎo)率的影響 Fig.4-4 Effect of additives dosage on conductivity of whitewa

為不加助劑（空白）和加了瓜爾膠及其衍生物白水中電導(dǎo)率 水配的漿，自來水的電導(dǎo)率值為230uS/cm，圖中柱形圖上

ter

.的數(shù)據(jù)。由于采 的電導(dǎo)率值表示

57

 

的是白水相對于自來水電導(dǎo)率的增加值。由圖可知，瓜爾膠及其衍生物也能使白水中的 電導(dǎo)率降低，但降低的并不多。一方面瓜爾膠及其衍生物上的陽離子基團通過電荷中合， 使白水的Zeta電位降低；另一方面，瓜爾膠分子主鏈上甘露糖基的兩個順勢羥基會通 過配位鍵和極性鍵與游離的金屬離子進行交聯(lián)。這兩個方面直接導(dǎo)致白水電導(dǎo)率的降 低。

4.2.4.3瓜爾膠及其衍生物對白水COK的影響

 

圖4-5瓜爾膠及其衍生物對白水COD&的影響 Fig.4-5 Effect of additives dosage on CODCr of whitewater

通過測量沒加助劑和加了瓜爾膠及其衍生物助劑的白水的CODcr值，瓜爾膠改性作造紙法再造煙葉濕部助劑研究，研究瓜爾膠 及其衍生物對白水CODcr的影響，得到的數(shù)據(jù)如圖4-5。由圖4-5可知，CGG-g-AM對 白水COD&值降低的效果最好，能使白水的COD&值從321mg/L降到265.7mg/L，降 低17.2°%。其他的瓜爾膠及其衍生物也能降低白水的COD&值。瓜爾膠及其衍生物降低 白水中的CODCr主要是通過瓜兒爾膠衍生物上的正電荷與白水中的陰離子膠體物質(zhì)發(fā) 生電中和以及架橋作用，形成絮凝體，而使白水的CODCr值降低。對于帶支鏈的結(jié)構(gòu) 的CGG-g-AM和CHPG甚至可以與白水中的膠粒發(fā)生網(wǎng)絡(luò)絮聚而使白水澄清分層，降 低白水的CODCr值，所以這兩種助劑效果最好。

58

4.2.4瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉基片物理性能的影響

4.2.4.1瓜爾膠及其衍生物對造紙法煙草薄片定量的影響

添加瓜爾膠衍生物提高了再造煙葉漿料體系中總細小組分的首程留著率，使得再造 煙葉基片的定量有所增加。不同用量的瓜爾膠衍生物對煙草薄片定量的影響如圖4-6.

8

6

(a/3)

 

56

0.000.040.080.120.160.20

用量（°%)

圖4-6瓜爾膠及其衍生物用量對再造煙葉基片定量的影響 Fig.4-6 Effect of additives dosage on weight of handsheet

由圖4-6知瓜爾膠及其衍生物確實能通過提高再造煙葉漿料中細小組分的留著率 來提高定量。相比于瓜爾膠和其他瓜爾膠衍生物，CGG-g-AM以及CHPG對再造煙葉 基片定量的提高尤為明顯；CGG-g-AM在用量為0.1%時，對基片定量的提到達到最大， 此時定量提高了 12.2%。隨著CHPG用量的增加，基片定量是逐漸增加的，但用量超過 0.14%時定量增加的已不明顯。陽離子瓜爾膠主要通過電中和作用吸附細小組分，所以 其吸附能力主要由陽離子取代度的大小決定，CGG-2比CGG-1的陽離子取代度要大， 所以其對基片定量的提高比CGG-1好。帶支鏈聚合的陽離子瓜爾膠不僅通過電中和作 用，其支鏈還通過架橋作用及網(wǎng)狀絮聚作用來提高其對細小組分的吸附，所以CHPG 和CGG-g-AM的吸附能力要明顯好于其他三種不帶支鏈的助劑。

4.2.4.2瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉基片松厚度的影響

再造煙葉基片的松厚度不僅影響基片涂布時對涂布液的吸收性能，也影響薄片的燃 燒性能。在實際生產(chǎn)中，基片的松厚度越高，上述兩項性能也就越好，所以工廠都要求 能夠生產(chǎn)出松厚度較高的煙草基片。圖4-7是瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉基片 松厚度的影響數(shù)據(jù)。

59 

0.000.040.080.120.160.20

2.8

(3/ J 蹈§1

 

用量（°%)

圖4-7瓜爾膠及其衍生物用量對基片松厚度的影響 Fig.4-7 Effect of additives dosage on bulk of handsheet

由圖4-7知：GG、CGG-1，CGG-2并不不能提高再造煙葉基片的松厚度，而CHPG 以及CGG-g-AM在添加適量時能夠提高基片的松厚度。究其原因，可能是GG、CGG-1， CGG-2由于沒有特殊的支鏈結(jié)構(gòu)，其吸附的細小纖維組分形成的絮聚體體積較小，很 容易通過纖維交織形成的空隙，起到填補作用，這樣造成成紙的松厚度反而下降，而 CHPG以及CGG-g-AM通過聚合反應(yīng)形成了較為特殊的支鏈結(jié)構(gòu)，在吸附細小纖維組 分時通過架橋作用以及網(wǎng)絡(luò)絮聚形成的絮聚體大而疏松，與纖維層疊，而并不是填充到 纖維間的空隙中去，所以其成紙松厚度會上升，但當CHPG以及CGG-g-AM用量過多 時，由于它們都帶有陽離子基團，用量過多，會造成漿料體系電荷反轉(zhuǎn)，之前形成的絮 聚體會逐漸散開，從而影響松厚度。

4.2.4.3瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉基片撕裂指數(shù)的影響

圖4-8是瓜爾膠及其衍生物用量對基片撕裂指數(shù)的影響數(shù)據(jù)。由圖4-8知添加瓜爾 膠及其衍生物能夠或多或少的提高基片的撕裂指數(shù)。這是因為添加的瓜爾膠及其衍生物 為聚半乳糖甘露糖，本身含有很多的羥基，能夠和纖維表面游離出來的羥基形成氫鍵結(jié) 合，在纖維和纖維之間，纖維和細小組分之間起到粘結(jié)作用提高基片的撕裂指數(shù)。瓜爾 膠及其衍生物的用量越多，基片的撕裂指數(shù)越大；CHPG對基片撕裂指數(shù)的提高效果最 好，當CHPG的用量為0.18°%是，基片的撕裂指數(shù)為1.72mN*m2/g，與沒加CHPG相比， 撕裂指數(shù)提高了 27.4%。

60

及其衍生物用量對基片撕裂指數(shù)的影響 additives dosage on tear index of handsheet

f

8

i

4

圖

^n^ GG

M/ass)栽靶錤莪

 

3.000.040.080.120.160.20

用量（%)

 

用量（%)

圖4-9瓜爾膠及其衍生物用量對薄片抗張指數(shù)的影響 Fig.4-9 Effect of additives dosage on tensile index of handsheet

紙法再造煙葉基片抗張指數(shù)的影響

YC/T 16.3-2003《再造煙葉第3部分：造紙法》標準對再造煙葉的抗張強度做了 指標要求，瓜爾膠改性作造紙法再造煙葉濕部助劑研究，要求其抗張強度<1.0KN/m.在實際生產(chǎn)過程中由于造紙法再造煙葉漿料中煙 末、雜細胞含量較多，纖維組分較少，漿料成紙性能差，經(jīng)常出現(xiàn)斷紙，影響生產(chǎn)效率， 再加上再造煙葉基片還要經(jīng)過一個浸漬涂布的過程，如果基片強度性能不好的話，也會 在涂布過程中發(fā)生斷紙的情況，所以工廠也會要求在滿足上述標準的情況下，基片能夠 有足夠好的強度以滿足正常生產(chǎn)要求影響。纖維抗張強度的主要因素有纖維強度、纖維 之間結(jié)合強度、纖維的長度等，添加助劑只要通過改善纖維之間的結(jié)合強度以及增加纖 維與助劑的粘結(jié)來提高抗張強度。添加瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉基片抗張指 數(shù)的影響如圖4-9數(shù)據(jù)所示。

61

由圖4-9知：基片的初始抗張強度約為400N/m，遠遠低于標準要求的小于1KN/m, 有適當改善強度滿足正常生產(chǎn)要求的空間。隨著用量的增加，再造煙葉基片的抗張指數(shù) 是不斷增加的；CHPG對提升薄片抗張指數(shù)的效果最好。當其用量為0.14%時，薄片的 抗張指數(shù)達到7.6N*m/g，提高了 16.9%。CHPG分子量是這幾種瓜兒膠及其衍生物中分 子量最大的，而且也含有陽離子基團和支鏈，在提升基片的抗張指數(shù)方面表現(xiàn)最顯著。

4.2.4.5瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉基片勻度指數(shù)的影響

GG

CGG-1

CGG-2

CG-g-AM

CHPG

空白

600 500

o o o o o o

4 3 2

 

100 0

0.1%用量0.18%用量

圖4-10瓜爾膠及其衍生物對薄片勻度-指數(shù)的影響 Fig.4-10 Effect of additives dosage on formation index of handsheet

紙張的勻度是很重要的指標，紙張的很多性能都受它影響。紙張的勻度是很重要的 指標，紙張的很多性能都受它影響，研究瓜爾膠及其衍生物對造紙法再造煙葉基片勻度 的影響，一方面是對瓜爾膠及其衍生物發(fā)揮助留助濾作用時形成的絮聚體好壞的評價， 另一方面是為研究瓜爾膠及其衍生物對基片物理性能的影響提供支撐。圖4-10是在添 加瓜爾膠及其衍生物前后，基片的勻度指數(shù)數(shù)據(jù)。圖中“空白”表示沒有添加瓜爾膠及 其衍生物的勻度數(shù)據(jù)。由圖4-10中的數(shù)據(jù)知，瓜爾膠及其衍生物對基片勻度指數(shù)影響 并不明顯；用量為0.1°%時的勻度指數(shù)要小于用量為0.18°%的勻度指數(shù)；在用量為0.1°% 時，除GG組外，其他組的勻度指數(shù)都要小于空白組的勻度指數(shù)。這說明瓜爾膠及其衍 生物在用量較少時，不會影響基片的勻度。

62

4.3本章小結(jié)

(1)合成的CGG-g-AM表現(xiàn)出了較好的助留助濾性能。在其用量為0.08%時，助 留助濾性能最佳，能使細小組分首程留著率24%，使打漿度降低38%。綜合比較幾種 瓜爾膠及其衍生物的助留助濾性能，由于CHPG既有較大分子量，又含陽離子基團及 支鏈結(jié)構(gòu)，其助留助濾性能最好。它在0.08%的用量下能使能使細小組分首程留著率提 高29%，使打漿度下降22°SR。

(2)造紙法再造煙葉基片物理性能在不加助劑時強度性能較差，撕裂強度僅為 77.5mN，抗張強度僅為400N/m。添加瓜爾膠及其衍生物，能在改善再造煙葉漿料助留 助濾性能的同時，也能在不影響勻度的情況下，改善基片的物理性能，提高基片的定量。 在用量為0.18%時，這幾種瓜爾膠及其衍生物中效果較好的CHPG能使基片的撕裂指數(shù) 提高27.4%，抗張指數(shù)提高21.5%。而CGG-g-AM也能使基片的撕裂指數(shù)提高27.4%， 抗張指數(shù)提高21.5%。具有支鏈結(jié)構(gòu)，分子量大的CHPG以及CGG-g-AM還能能提高 再造煙葉基片的松厚度，而其他三種瓜爾膠及其衍生物則不能。

(3)添加瓜爾膠及其衍生物能夠減輕白水的污染負荷，使白水的SS、電導(dǎo)率及 COD&出現(xiàn)不同程度的降低。CGG-g-AM的降低白水污染負荷性能較為突出，在用量為 0.08%時，能使白水的SS值降低29.3%，電導(dǎo)率值降低16.0%，COD&降低21.1%。

63 

結(jié)論

本論文研究了造紙法再造煙葉漿料的特性并在離子液體中合成了瓜爾膠改性產(chǎn)品， 將合成的產(chǎn)品和其他瓜爾膠衍生物一起應(yīng)用到造紙法再造煙葉的生產(chǎn)中去，瓜爾膠改性作造紙法再造煙葉濕部助劑研究，考察瓜爾膠 及其衍生物的助留助濾、增強性能以及對白水污染負荷的影響。通過研究，得到如下的 結(jié)論：

(1)煙草漿料中主要含有煙梗纖維和不規(guī)則的煙末團簇。煙末團簇主要是煙葉不 同組織細胞的集合體，煙葉組織細胞長度、寬度不一，但都較小，在打漿過程中很容易 從團簇中解離出來形成漿料中的細小組分。煙草漿的質(zhì)均長度、寬度分別為1.01mm、 25.37um，并有較大的粗度，這對成紙的松厚度有正面影響。煙草漿的長寬比接近30, 屬于成紙性能較差的纖維。

(2)通過分析煙草漿料體系的電荷特性，發(fā)現(xiàn)煙草漿的陽離子需求量很高，Zeta 電位卻很低，分別為0.2185mmol/L，-8.00mV。陽離子電荷需求量高，說明在煙草漿料 體系中存在很多的陰離子干擾物質(zhì)，不利于陽離子助劑的引入；漿料Zeta電位低說明， 漿料表面游離基團較少，成紙強度性能可能較差。

(3)通過研究由煙草漿、亞麻漿和碳酸鈣組成的造紙法再造煙葉漿料體系的濕部 電荷特性發(fā)現(xiàn)：pH值對煙草漿料體系的電荷特性影響較大，隨著pH值的升高，煙草 漿的Zeta電位絕對值和溶膠物質(zhì)的陽離子需求量都隨之增大，Zeta電位在酸性范圍內(nèi) 比在堿性范圍內(nèi)的變化幅度大；漿濃或打漿度增大，陽離子需求量和Zeta電位都隨之 增大，打漿度從30°SR提高到60°SR，陽離子電荷需求量從0.15mmol/L上升到 0.25mmol/L，增加了 67%;而添加外纖及填料都使再造煙葉漿料體系的陽離子需求量 及Zeta電位降低；陽離子瓜爾膠能夠顯著降低再造煙葉漿料體系的陽離子需求量并大 幅提高Zeta電位，瓜爾膠用量為0.04%時，能使?jié){料體系的陽離子需求量降低42.5%并 將Zeta電位控制在微負范圍內(nèi)，有利于漿料的留著。

(4)以離子液體為反應(yīng)介質(zhì)，過硫酸鉀為引發(fā)劑，引發(fā)了丙烯酰胺單體在陽離子 瓜爾膠骨架上的接枝共聚。研究了反應(yīng)過程中各種因素對接枝聚合參數(shù)的影響。通過四 因素三水平的正交實驗及單因素實驗對反應(yīng)條件進行優(yōu)化，得出最佳的反應(yīng)條件為：單 體與陽離子瓜爾膠的質(zhì)量比為3:1，引發(fā)劑與陽離子瓜爾膠的質(zhì)量比為1:30,反應(yīng)溫度 為60°C，反應(yīng)時間為1h，在此條件下得出接枝共聚產(chǎn)物的接枝率達175%，接枝效率

64 

結(jié)論

95%以上。與傳統(tǒng)溶劑法相比，在離子液體中接枝共聚節(jié)省了反應(yīng)設(shè)備的體積、減短了 反應(yīng)時間。

(5)通過紅外光譜、核磁共振碳譜掃描電鏡的表征均證實了接枝聚合反應(yīng)的發(fā)生。

(6)接枝共聚物的熱重分析表明接枝共聚物的耐熱性能優(yōu)于陽離子瓜爾膠以及瓜 爾膠原粉；對接枝共聚物的流變分析和分子量進行表征，發(fā)現(xiàn)陽離子瓜爾膠-丙烯酰胺 接枝共聚物的水溶液表現(xiàn)出假塑性流體行為。其粘度和分子量都要大于陽離子瓜爾膠。

(7)合成的CGG-g-AM表現(xiàn)出了較好的助留助濾性能和增強性能，在0.08%用量 下，，能使?jié){料總細小組分留著率提高24%，能降低打漿度16°SR。在1.8%用量下 CGG-g-AM也能使基片的撕裂指數(shù)提高27.4%，抗張指數(shù)提高21.5%。

(8)瓜爾膠及其衍生物在表現(xiàn)出較好的留助濾性能和增強性能的同時，瓜爾膠改性作造紙法再造煙葉濕部助劑研究，也能降低 白水的污染負荷。綜合比較幾種瓜爾膠及其衍生物的應(yīng)用性能，最好的為CHPG和合 成的 CGG-g-AM。 本論文的創(chuàng)新之處

1.系統(tǒng)全面的分析了造紙法再造煙葉漿料的特性，加深了對再造煙葉漿料漿料的 認識，為成紙質(zhì)量控制提供了指導(dǎo)，也為漿料的濕部化學(xué)控制和濕部助劑的添 加提供了參考。

2.在離子液體中首次成功的完成了陽離子瓜爾膠與丙烯酰胺的接枝共聚，并發(fā)現(xiàn) 以離子液體為反應(yīng)介質(zhì)，具有縮短反應(yīng)時間，減少設(shè)備體積的優(yōu)點。

3.綜合比較了幾種瓜爾膠及其衍生物在造紙法再造煙葉中的應(yīng)用性能，為造紙法 再造煙葉生產(chǎn)中添加瓜爾膠及其衍生物提供了指導(dǎo)。

展望和下一階段的工作建議

在實驗室條件下，研究了造紙法再造煙葉漿料的特性，合成了瓜爾膠改性產(chǎn)品并與 其他瓜爾膠衍生物一起應(yīng)用到造紙法再造煙葉中去，對生產(chǎn)具有一定的參考意義，但還 需在以下幾個方面做進一步的研究：

(1)造紙法再造煙葉原料打漿工藝與成漿質(zhì)量甚至薄片產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)性的研究，通

65 

過這方面的研究以便找到好的特別針對造紙法再造煙葉原料的打漿工藝。

(2)離子液體對瓜爾膠的溶解或者溶脹性能以及對瓜爾膠分子量的影響方面的研

究。

(3)離子液體中接枝共聚動力學(xué)研究。

(4)瓜爾膠及其衍生物對再造煙葉吸性影響方面的研究。

(5)立足于本研究結(jié)果，進行中試試驗，探索瓜爾膠及其衍生物在造紙法再造煙葉 工程化應(yīng)用中需要解決的問題。