瓜爾膠(guar gum)是一種植物膠，是目前國際上最為廉價而又廣泛應(yīng)用的天 然親水膠體之一，主要來源于印度、巴基斯坦和美國得克薩斯州等類似沙漠地區(qū)， 它是一種廣泛栽培的一年生草本抗旱分子量農(nóng)作物。瓜爾豆一般含14%?17%的豆殼， 35 %?42%的胚乳及43 %?47%的胚芽。胚乳用機(jī)械方法粉碎后，得灰白色瓜 爾豆膠粉，略帶瓜爾豆味。

 

近幾年來，瓜爾膠抄成的紙在燃燒時沒有異味，同時具有優(yōu)良的助留、助濾 和增強(qiáng)效果，滿足卷煙用紙的特殊需求，使瓜爾膠系列助劑在卷煙紙行業(yè)中得到 了廣泛應(yīng)用。目前，在國內(nèi)的各大卷煙紙廠中，由于瓜爾膠無任何毒副作用和燃 燒沒有異味，通常是生產(chǎn)卷煙紙和食品包裝用紙的有效專用助劑。目前瓜爾膠已 基本取代了淀粉成為增強(qiáng)、助留、助濾劑和紙張表面性能改進(jìn)劑[1]。

 

一、瓜爾膠的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 1.1 瓜爾膠的結(jié)構(gòu)瓜爾膠化學(xué)成分是半乳甘露聚糖，在結(jié)構(gòu)上，以a-1，4鍵相互連接的D-甘 露糖為主鏈，主鏈的某些C6位上再連接D-半乳糖為支鏈，其平均半乳糖與甘 露糖之比為1: 2 (見圖1)，但半乳糖的分布是隨意無規(guī)則的，因?yàn)樵谄渲麈I的 有一些區(qū)段上并沒有半乳糖，而在另一些部分則是高取代區(qū)。

 

1.2.天然瓜爾膠用于造紙的特點(diǎn)天然的瓜兒膠由于耐菌性差，易被微生物分解，溶液不耐儲存，易發(fā)生霉變; 不能快速溶脹和水合，溶解速度慢，增加瓜爾膠的使用量，影響增強(qiáng)效果，同時 未充分溶解瓜爾膠容易對紙機(jī)造成污染，影響紙張質(zhì)量，增加洗刷頻次，影響了 瓜爾膠的使用。

 

2002年Q.Wang等人對影響瓜爾膠的動力學(xué)因素進(jìn)行了詳細(xì)的研宄，研宄發(fā) 現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)對數(shù)模型與瓜爾膠的溶解吻合很好，在2003年和2006年間的研宄中同時 還發(fā)現(xiàn)瓜爾膠的濃度、粒徑、分子量、半乳甘露糖的比例對瓜爾膠的溶解有很大 的影響[2-4]，而瓜爾膠的溶解性能對瓜爾膠的使用性能有很大的影響。

 

二、羥丙基瓜爾膠增強(qiáng)劑的制備 2.1羥丙基瓜爾膠制備的反應(yīng)原理在瓜爾膠的分子結(jié)構(gòu)中引入極性親水基團(tuán)羥丙基，可以提高瓜爾膠的溶解性 能，使瓜爾膠水溶速度增加，降低水不溶物，工業(yè)上目前羥丙基瓜爾膠的制備反應(yīng) 原理如下[5]:⑴Guar-O-Na+ +CH2—CH——CH3VGuar-O-CH2-CH-CH3 + NaOH OH(2)

 

Guar-OH + NaOHGuar-O—Na+ + H2O2.2改性膠粉的合成在捏合機(jī)中，加入瓜爾膠粉，再加入醇水堿液攪拌堿化，升溫至50-60°C， 滴加環(huán)氧丙烷，反應(yīng)完畢繼續(xù)攪拌1-2h,然后將反應(yīng)好的料液離心，加入表面處 理劑，出料干燥，粉碎，篩分，即得到成品。

 

楊振周等[6]對影響羥丙基瓜兒膠的工藝因素進(jìn)行了詳細(xì)的研宄，其中堿的加 量對瓜爾膠的溶解和粘度有很大影響，堿的加量越大溶解越好，但會對粘度造成影響。

 

三、增強(qiáng)劑增強(qiáng)機(jī)理紙張增強(qiáng)劑的增強(qiáng)機(jī)理得到大家公認(rèn)的有以下三條[7]:1)纖維間氫鍵結(jié)合和靜電吸附是紙張具有干強(qiáng)度的主要原因，特別是氫鍵 結(jié)合點(diǎn)多，結(jié)合力強(qiáng)（82kJ/mol)，是干強(qiáng)度產(chǎn)生的主要原因。加入增強(qiáng)劑后能 加強(qiáng)氫鍵結(jié)合?？傊鰪?qiáng)劑可以增加纖維/纖維間的結(jié)合力。

 

2)—些含有陰離子基的增強(qiáng)劑可以通過A13+等和帶有負(fù)電荷的纖維形成配 位鍵。

 

3)增強(qiáng)劑往往是高效的纖維分散劑，可以提高紙張的勻度，進(jìn)而提高強(qiáng)度。 這一點(diǎn)對增強(qiáng)的貢獻(xiàn)較小。

 

對于瓜爾膠類增強(qiáng)劑，由于表面含有很多羥基基團(tuán)，與纖維素相類似的結(jié)構(gòu)， 所以能夠在纖維表面快速吸附，通過相互間表面的羥基形成氫鍵，從而能夠有效 地促進(jìn)纖維之間的結(jié)合，提高紙張的強(qiáng)度。

 

四、樣品的表征 4.1核磁表征對制備的羥丙基瓜爾膠，采用美國VARIAN公司MERCURYplus 400M超導(dǎo)核磁共振波譜儀，核磁共振對樣品進(jìn)行水解后分析，圖2是瓜爾膠的1H-NMR圖， 圖3是瓜爾膠和羥丙基瓜爾膠的1H-NMR圖。瓜爾膠分子中同時含有半乳糖和 甘露糖兩種結(jié)構(gòu)單元，兩種單糖中C-1相連的氧原子最多，相應(yīng)的H-1處于最低場 (5在4.5?5.4), H-2?H-6化學(xué)位移相近，吸收信號嚴(yán)重重疊，很難分開(5在3.3?4.2), 羥丙基上甲基峰化學(xué)位移5在1.2左右，同時，根據(jù)摩爾取代度(MS)的定義(摩爾 取代度=接枝上的物質(zhì)的量/被改性聚合物結(jié)構(gòu)單元的物質(zhì)的量),由羥丙基甲基峰 的積分跟糖環(huán)H-1的峰的積分之比可以計算出摩爾取代度[5].

 

4.2分子量測試使用美國Brookhaven公司的GPC-光散射聯(lián)用儀測定瓜爾膠分子量。

 

通過氣相凝膠色譜，我們可以測定瓜爾膠的分子量及分子量分布，從而可以 測定瓜爾膠的鏈長，圖5中瓜爾膠的Mw為2.38*10e6，分布寬度D為1.06。

 

4.3增粘曲線圖對于瓜爾膠的增粘特性，會影響瓜爾膠增強(qiáng)劑在配漿時的溶解分散性，因此表 面處理會提高瓜爾膠在水溶液中的分散性，對于制備的樣品，采用烏氏流速粘度 計，600rpm下測定時間與粘度的關(guān)系，處理前后的增粘曲線圖如圖6,從圖中可以 看出，處理后的羥丙基瓜爾膠在1-3min內(nèi)粘度沒有釋放，這樣有利用制漿過程中 溶液的配制，防止瓜爾膠粉在水中結(jié)塊。

 

T (min)

 

圖6表面處理前后瓜爾膠增粘曲線圖五、現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對于不同分子量和不同取代度的羥丙基瓜爾膠增強(qiáng)劑，我們在恒豐紙業(yè)進(jìn)行 了多次的實(shí)驗(yàn)，我們對同等用量下使用前后的性能進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

 

樣品分子量取代度定量/gm2抗張強(qiáng)度KN/m伸長率/%透氣度/CU透氣度變異系數(shù)％白度/%不透明度/%成紙灰分/CaO%填料存留率％試驗(yàn)前//26.81.052.3043.65.3287.572.416.1557.4試驗(yàn)樣2460.3726.40.992.3546.45.4587.972.815.9462.21試驗(yàn)前//27.20.981.1848.96.5288.675.719.5963.30試驗(yàn)樣2400.2527.30.991.2649.96.7488.375.819.4563.5試驗(yàn)前//27.91.072.3438.26.988.673.217.458.69試驗(yàn)樣2380.1828.01.112.2936.46.088.773.017.160.83表1不同取代度的瓜爾膠對增強(qiáng)效果的影響樣品分取代定量抗張伸長透氣透氣度白度不透成紙灰填料存留子度/gm2強(qiáng)度率/%度變異系/%明度分率％量KN/m/CU數(shù)％/%/CaO%試驗(yàn)前//27.91.072.3438.26.988.673.217.458.69試驗(yàn)樣2380.1828.01.112.2936.46.088.773.017.160.83試驗(yàn)前//27.11.131.6648.87.091.072.816.4065.08試驗(yàn)樣2200.1927.21.081.7648.86.391.273.617.8667.37試驗(yàn)前//27.81.062.3838.56.088.472.716.0058.69試驗(yàn)樣2550.2027.91.102.4140.36.588.474.016.9461.81表2不同分子量的瓜爾膠對增強(qiáng)效果的影響從表1可以看出，羥丙基取代度對瓜爾膠的增強(qiáng)效果有很大的影響，隨著取代 度從0.37降低到0.18,增強(qiáng)效果越來越好，主要原因是取代度越高，瓜爾膠鏈表面 的羥基數(shù)目就越少，而根據(jù)紙張增強(qiáng)劑的增強(qiáng)機(jī)理，氫鍵結(jié)合點(diǎn)越多，結(jié)合力強(qiáng)， 紙張強(qiáng)度就越高，因此合適的取代度可以紙張增強(qiáng)效果。

 

從表2可以看出，在取代度基本一直的情況下，分子量越大，增強(qiáng)效果越好，主 要原因是分子量越大，瓜爾膠鏈越長，增加了架橋連接能力，提高了纖維/纖維間的 結(jié)合力。

 

六、結(jié)論羥丙基瓜爾膠增強(qiáng)劑在卷煙紙的增強(qiáng)中能起到很好的增強(qiáng)效果，通過試驗(yàn)發(fā) 現(xiàn)，瓜爾膠內(nèi)部的性質(zhì)對增強(qiáng)效果有很大的影響，分子量越大，瓜爾膠鏈越長， 增加了架橋連接能力，增加了纖維與纖維間的結(jié)合力，對于羥丙基的取代度，在 達(dá)到同等溶解的條件下，取代度越低，表面羥基數(shù)目就越多，氫鍵結(jié)合點(diǎn)越多， 結(jié)合力強(qiáng)，紙張強(qiáng)度就越高。

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