CN105780589B

CN105780589B - 阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法

Info

Publication number: CN105780589B
Application number: CN201610069085.8A
Authority: CN
Inventors: 唐艳军; 胡秀兰; 刘东东
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2018-06-01
Anticipated expiration: 2036-02-02
Also published as: CN105780589A

Abstract

本发明涉及阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法。本发明首先对可食用玉米淀粉进行糊化，并与阳离子苯丙乳液进行复配，随后利用阳离子纳米微晶纤维素增强以上复合乳液，最后通过迈耶尔涂布机对挂面箱板纸上进行表面施胶。本发明所制备的表面施胶剂以可食用玉米淀粉、纳米微晶纤维素为主原料，减少了合成胶乳阳离子苯丙乳液的使用，这与可持续发展战略是非常吻合的。阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂制备工艺简单、流动性能佳，在赋予纸张良好阻隔性能的同时，还可以改善纸张的力学性能和表面性能。

Description

阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法

技术领域

本发明涉及制浆造纸领域，具体涉及一种阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法及其应用。

技术背景

随着全球化进程的加快，人们对石油产品带来的环境污染问题日益重视，取而代之的是以生物质为原料的新型天然高分子产品的研究和应用。纤维素作为地球上储量最丰富的天然可再生生物质原料，具有很多优良的特点，例如，可完全降解、良好的生物相容性及容易进行化学改性等，因此已经成为国内外很热门的研究对象。纳米微晶纤维素作为纤维素研究的一个重要方向，其特殊的纳米尺寸结构及优异的性能已经受到学术界及工业界的广泛关注。目前，国内外对纳米微晶纤维素的制备、改性及其在纳米复合材料、医药及食品领域的应用已经有了一定的研究，但其在造纸方面的应用研究却鲜有文献报道，尤其是在造纸表面施胶中的应用。

天然淀粉因资源丰富、成本低廉，且具有可再生和生物降解性，目前仍然是我国用量最大的表面施胶剂之一。遗憾的是，由于力学性能和阻隔性能不佳，淀粉基表面施胶剂的发展受到了很大限制。为此，造纸工业采用阳离子苯丙乳液与糊化淀粉复配使用来弥补淀粉基表面施胶剂的不足，但施胶效果亦不尽如人意，纳米微晶纤维素的出现恰到好处地缓解了当前

表面施胶所面临的窘境。

纳米微晶纤维素作为一种环保型绿色纳米材料，可用于纸张的表面施胶/涂布上。但是，由于纳米微晶纤维素具有负电性，遇阳离子型表面施胶剂，会发生严重吸附团聚，必将影响到乳液的流变性能及其在纸张表面的施胶性能。更重要的是，纳米微晶纤维素表面含有大量的亲水集团，直接添加不利于纸张表面抗水性的改善。因此在应用之前，需要对纳米微晶纤维素进行改性，以改善其与乳液体系的相容性，最终提高其在纸张施胶性能方面的应用效果。

发明内容

本发明提供一种阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法及其应用。首先，对可食用玉米淀粉进行糊化，并与阳离子苯丙乳液进行复配，随后利用阳离子纳米微晶纤维素增强以上复合乳液，最后通过迈耶尔涂布机对挂面箱板纸上进行表面施胶。具体通过以下方案实现：

步骤（1）：以可食用淀粉为基准，按照一定比例移取淀粉酶，并将其加入到一定量的蒸馏水中，在一定搅拌速度下加入可食用淀粉，使其完全分散，并且将其置于80 ºC水浴锅中，搅拌糊化25 min；在130 ºC油浴锅中加热3 min以使酶失活；

步骤（2）：在60 ºC下保温，并加入一定量阳离子苯丙乳液，以一定搅拌速度均匀分散一定时间；

步骤（3）：将阳离子纳米微晶纤维素溶胶加入以上体系，补充蒸馏水至所有样品的固含量都为10%，即得到阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂；同时，根据需要滴加适量消泡剂，并用硫酸铝溶液调节体系pH至4~5；最后，所有样品都在60 ºC水浴锅中保温，并不断搅拌以均匀分散、备用。

步骤（4）：采用迈耶尔绕线棒的涂布机，将表面施胶液涂布在挂面箱板纸上，赋予挂面箱板纸优良的力学性能及阻隔性能。

上述方法中，步骤（1）中所述的淀粉酶的移取量为150-200 ppm（以可食用淀粉为基准），搅拌速度为700~800 rpm；

上述方法中，步骤（2）中所述的阳离子苯丙乳液加入量为5%（以可食用淀粉为基准），搅拌速度400 rpm，时间30 min。

上述方法中，步骤（3）中所述的阳离子纳米微晶纤维素的制备方法具体如下：

首先，取51.7 mL 98%浓硫酸逐滴滴加到48.3 mL蒸馏水中，配制成65%的硫酸溶液，待冷却后倒入250 mL三口烧瓶中；在低速搅拌下，将10 g 微晶纤维素缓慢加入上述硫酸溶液中（固液比1:10），待微晶纤维素全部溶解后，提高转速并在50 ºC恒温水浴中反应2h；之后，将上述反应体系倒入500 mL蒸馏水中进行稀释，以终止反应；然后，将得到的反应物进行离心，直至上清液变浑浊，开始收集产品（即为纳米微晶纤维素悬浮液）（离心条件：转速10000 rpm，时间为8 min）；重复上述离心过程，当上层为澄清液时停止离心；随后，将纳米微晶纤维素悬浮液倒入透析袋中（分子量为8000-14000），透析24 h（期间换水4次）。最后，采用旋转蒸发仪对透析后的纳米微晶纤维素悬浮液进行浓缩，直至纳米微晶纤维素的浓度约为5%，收集、保存、备用。

其次，取95 mL二甲基亚砜加入50 g 浓度为5%的纳米微晶纤维素溶胶，在不断搅拌的条件下，缓慢加入0.125 g NaOH粉末，然后置于65 ºC恒温水浴中并逐滴滴加6.21 mL2,3-环氧丙基三甲基氯化铵；反应6 h后将反应体系倒入200 mL 95%乙醇中终止反应（反应期间，每隔1.5 h取出超声0.5 h）；随后，进行离心并用95%乙醇反复洗涤两次（离心条件：转速8000 rpm，时间为5 min）；最后收集底物并用蒸馏水稀释后于透析袋中透析3天（中间换水6次），后浓缩得到阳离子纳米微晶纤维素溶胶。

上述方法中，步骤（3）中所述的阳离子纳米微晶纤维素的加入量为0.2%~1.0%（以可食用淀粉为基准）。

上述方法中，步骤（4）中所述的迈耶尔绕线棒的涂布机的速度为30 m/min, 表面施胶量为3-5 g/m²。

本发明的有益效果：

（1）将可食用淀粉进行有效糊化，与阳离子苯丙乳液进行复配，发挥二者的协同效应，工艺简单易控、操作方便，有助于成本控制及降低环境污染。

（2）以阳离子纳米微晶纤维素增强传统表面施胶剂，少量加入即可提升表面施胶剂的流变性能及施胶性能；而且，阳离子纳米微晶纤维素来自天然植物纤维，原料丰富、环境友好，具备潜在应用价值、符合可持续发展战略。

附图说明

图1 阳离子纳米微晶纤维素用量对施胶纸撕裂指数的影响；

图2 阳离子纳米微晶纤维素用量对施胶纸耐破次数的影响；

图3 阳离子纳米微晶纤维素用量对施胶纸空气透过率的影响。

具体实施方式

实施例1

以可食用淀粉为基准，按照150~200 ppm的量移取淀粉酶，并将其加入到一定量的蒸馏水中，在700~800 rpm搅拌速度下缓缓加入可食用淀粉，使其完全分散，并将其置于80ºC水浴锅中，搅拌糊化25 min；最后，在130 ºC油浴锅中加热3 min以使酶失活；在60 ºC下保温并按照5%的量（以可食用淀粉为基准）移取阳离子苯丙乳液，以400 rpm的搅拌速度均匀分散30 min。

不添加阳离子纳米微晶纤维素溶胶，直接补充蒸馏水至所有样品的固含量都为10%，即得到零添加的造纸表面施胶剂；根据需要，在体系中滴加消泡剂，并用硫酸铝溶液调节pH至4~5；最后，样品置于60 ºC水浴锅中保温，并不断地搅拌以均匀分散、备用。

采用迈耶尔绕线棒的涂布机，将表面施胶液涂布在挂面箱板纸上，赋予挂面箱板纸一定的力学性能及阻隔性能。由具体的实验数据可知，采用零添加的表面施胶剂用于挂面箱板纸的表面施胶，所得施胶纸的撕裂指数仅为5.16mN·m²/g、耐折次数7次、空气透过率8.42μm/(Pa·s)。

实施例2

以可食用淀粉的量为基准，将0.2%的阳离子纳米微晶纤维素溶胶加入以上体系，补充蒸馏水至所有样品的固含量都为10%，即得到阳离子纳米微晶纤维素增强的造表面施胶剂；根据需要，在体系中滴加消泡剂，并用硫酸铝溶液调节pH至4~5；最后，样品置于60 ºC水浴锅中保温，并不断地搅拌以均匀分散、备用。

采用迈耶尔绕线棒的涂布机，将表面施胶液涂布在挂面箱板纸上，赋予挂面箱板纸优良的力学性能及阻隔性能。由具体的实验数据可知，将添加了0.2%阳离子纳米微晶纤维素的表面施胶剂用于挂面箱板纸的表面施胶，所得施胶纸的撕裂指数5.37mN·m²/g、耐折次数9次、空气透过率6.53μm/(Pa·s)。

实施例3

以可食用淀粉的量为基准，将0.4%的阳离子纳米微晶纤维素溶胶加入以上体系，补充蒸馏水至所有样品的固含量都为10%，即得到阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂；根据需要，在体系中滴加消泡剂，并用硫酸铝溶液调节pH至4~5；最后，样品置于60ºC水浴锅中保温，并不断地搅拌以均匀分散、备用。

采用迈耶尔绕线棒的涂布机，将表面施胶液涂布在挂面箱板纸上，赋予挂面箱板纸优良的力学性能及阻隔性能。由具体的实验数据可知，将添加了0.4%阳离子纳米微晶纤维素的表面施胶剂用于挂面箱板纸的表面施胶，所得施胶纸的撕裂指数5.36mN·m²/g、耐折次数9次、空气透过率7.17μm/(Pa·s)。

实施例4

以可食用淀粉的量为基准，将0.6%的阳离子纳米微晶纤维素溶胶加入以上体系，补充蒸馏水至所有样品的固含量都为10%，即得到阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂；根据需要，在体系中滴加消泡剂，并用硫酸铝溶液调节pH至4~5；最后，样品置于60ºC水浴锅中保温，并不断地搅拌以均匀分散、备用。

采用迈耶尔绕线棒的涂布机，将表面施胶液涂布在挂面箱板纸上，赋予挂面箱板纸优良的力学性能及阻隔性能。由具体的实验数据可知，将添加了0.6%阳离子纳米微晶纤维素的表面施胶剂用于挂面箱板纸的表面施胶，所得施胶纸的撕裂指数5.24mN·m²/g、耐折次数8次、空气透过率7.68μm/(Pa·s)。

实施例5

以可食用淀粉的量为基准，将0.8%的阳离子纳米微晶纤维素溶胶加入以上体系，补充蒸馏水至所有样品的固含量都为10%，即得到阳离子纳米微晶纤维素改性的造纸表面施胶剂；根据需要，在体系中滴加消泡剂，并用硫酸铝溶液调节pH至4~5；最后，样品置于60ºC水浴锅中保温，并不断地搅拌以均匀分散，备用。

采用迈耶尔绕线棒的涂布机，将表面施胶液涂布在挂面箱板纸上，赋予挂面箱板纸优良的力学性能及阻隔性能。由具体的实验数据可知，将添加了0.8%阳离子纳米微晶纤维素的表面施胶剂用于挂面箱板纸的表面施胶，所得施胶纸的撕裂指数5.33mN·m²/g、耐折次数9次、空气透过率7.77μm/(Pa·s)。

实施例6

以可食用淀粉的量为基准，将1.0%的阳离子纳米微晶纤维素溶胶加入以上体系，补充蒸馏水至所有样品的固含量都为10%，即得到阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂；根据需要，在体系中滴加消泡剂，并用硫酸铝溶液调节pH至4~5；最后，样品置于60ºC水浴锅中保温，并不断地搅拌以均匀分散、备用。

采用迈耶尔绕线棒的涂布机，将表面施胶液涂布在挂面箱板纸上，赋予挂面箱板纸优良的力学性能及阻隔性能。由具体的实验数据可知，将添加了1.0%阳离子纳米微晶纤维素的表面施胶剂用于挂面箱板纸的表面施胶，所得施胶纸的撕裂指数5.25mN·m²/g、耐折次数8次、空气透过率7.75μm/(Pa·s)。

综上，本发明以微晶纤维素为原料，基于酸水解法制备了纳米微晶纤维素，在此基础上，采用季铵盐2,3-环氧丙基三甲基氯化铵对纳米微晶纤维素进行了阳离子改性，得到了阳离子化的纳米微晶纤维素，随后利用阳离子纳米微晶纤维素增强阳离子苯丙乳液/糊化淀粉表面施胶剂，并对纳米复合施胶剂在纸张表面施胶中的应用做了研究。

Claims

1.阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤（1）：以可食用淀粉为基准，按照一定比例移取淀粉酶，并将其加入到一定量的蒸馏水中，在一定搅拌速度下加入可食用淀粉，使其完全分散，并且将其置于80 ºC水浴锅中，搅拌糊化25 min；最后在130 ºC油浴锅中加热3 min以使酶失活；

步骤（3）：将一定量阳离子纳米微晶纤维素溶胶加入以上体系，补充蒸馏水至样品固含量为10%，即得到阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂。

2.根据权利要求1所述的阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的淀粉酶的移取量为150-200ppm，搅拌速度为700~800 rpm，该移取量以可食用淀粉为基准。

3.根据权利要求1所述的阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的阳离子苯丙乳液的添加量为5%，搅拌速度为400rpm，时间为30min，该添加量以可食用淀粉为基准。

4.根据权利要求1所述的一阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的阳离子纳米微晶纤维素的制备方法具体如下：

首先，取51.7 mL 98%浓硫酸逐滴滴加到48.3 mL蒸馏水中，配制成65%的硫酸溶液，待冷却后倒入250 mL三口烧瓶中；在低速搅拌下，将10 g微晶纤维素缓慢加入上述硫酸溶液中，待微晶纤维素全部溶解后，提高转速并在50 ºC恒温水浴中反应2 h；之后，将上述反应体系倒入500 mL蒸馏水中进行稀释，以终止反应；然后，将得到的反应物进行离心，直至上清液变浑浊，开始收集产品，即为纳米微晶纤维素悬浮液；离心条件：转速10000 rpm，时间为8 min；重复上述离心过程，当上层为澄清液时停止离心；随后，将纳米微晶纤维素悬浮液倒入透析袋中，透析24 h；最后，采用旋转蒸发仪对透析后的纳米微晶纤维素悬浮液进行浓缩，直至纳米微晶纤维素的浓度约为5%，收集、保存、备用；

其次，取95 mL二甲基亚砜加入50 g 浓度为5%的纳米微晶纤维素溶胶，在不断搅拌的条件下，缓慢加入0.125 g NaOH粉末，然后置于65 ºC恒温水浴中并逐滴滴加6.21 mL 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵；反应6 h后将反应体系倒入200 mL 95%乙醇中终止反应，反应期间，每隔1.5 h取出超声0.5 h；随后，进行离心并用95%乙醇反复洗涤两次；离心条件：转速8000 rpm，时间为5 min；最后收集底物并用蒸馏水稀释后于透析袋中透析3天，后浓缩得到阳离子纳米微晶纤维素溶胶。

5.根据权利要求1所述的阳离子纳米微晶纤维素增强的造纸表面施胶剂的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的阳离子纳米微晶纤维素的加入量为0.2%~1.0%，该加入量以可食用淀粉为基准。