壳聚糖和阳离子瓜尔胶在造纸法再造烟叶中的应用_张钰

第25卷第2期2013年4月

造纸化学品PAPERCHEMICALS

Vol.25No.2Apr.2013

壳聚糖和阳离子瓜尔胶在造纸法再造烟叶中的应用

张

钰，严新龙，孙

霞，李新生

215433）

（上海烟草集团太仓海烟烟草薄片有限公司，江苏太仓

摘要：分别以阳离子瓜尔胶和自制的壳聚糖为湿部助剂，研究其对再造烟叶浆料Zeta电位、打浆

动态滤水、单程留着率、再造烟叶基片抗张强度和松厚度的影响。研究表明：与阳离子瓜尔胶相度、比，壳聚糖对再造烟叶浆料Zeta电位、打浆度、动态滤水和单程留着率的影响更为明显，而且脱乙酰度越高，效果越好；上述助剂的加入均会降低基片的抗张强度并提高松厚度，但不同助剂间的影响较小。通过正交试验对壳聚糖的应用条件进行优化，最佳工艺条件为：壳聚糖的脱乙酰度为添加量为质量分数0.6％（以绝干浆料质量为基准），体系pH为6。90％，关键词：造纸法再造烟叶；助留助滤；壳聚糖；阳离子瓜尔胶中图分类号：文献标识码：文章编号：TS727+.2A1007-2225（2013）02-0039-05

TheApplicationofChitosanandCationicGuarGuminPaper－making

ReconstitutedTobacco

ZHANGYu，YANXin－long，SUNXia，LIXin－sheng

（TaicangHaiyanReconstitutedTobaccoCo.，Ltd.，ShanghaiTobaccoGroup，Taicang215433，China）Abstract：Cationicguargumandself－madechitosanwereusedaswetendassistants，andtheireffectsontheZeta

potential，beatingdegree，dynamicfiltration，single－passretention，tensilestrengthandbulknessofreconstitutedtobaccowerestudiedinthispaper.Resultsshowedthatcomparedwithcationicguargum，theinfluencesofchitosanonZetapotential，beatingdegree,dynamicfiltrationandsingle－passretentionweremoreobvious，andthehigherofthedeacetylationdegree，thebetteroftheresults.Alladditivesmentionedabovecouldreducereconstitutedtobaccotensilestrengthandimproveitsbulkness，butthedifferencebetweenthemwassmall.Throughorthogonaltest，theapplicationconditionsofchitosanwereoptimized，asfollows：thedeacetylationdegreeofchitosanwas90％，the

，dosageofchitosanwas0.6％（basedonbonedrystockquality）andthesystempHwas6.Keywords：paper－makingreconstitutedtobacco；retentionanddrainage；chitosan；cationicguargum造纸法再造烟叶是采用废弃的烟梗、烟片和烟

末等物质为原料用纸机抄造成片状的再生产品，最后作为卷烟中的填充料[1]。原料在磨浆过程中会形成大量的细小组分，同时还有烟草水溶性物质与填料存在于浆料体系中，这会对浆料体系的留着和滤水产生严重的负面影响，因此必须选用合适的助留助滤剂。这样，一方面可以提高填料和细小纤维的留着，改善白水循环，减少污染；另一方面可以增强浆料的滤水性能，提高纸机脱水效率，增加纸机车速，从而提高再造烟叶基片的抄造效率[2-3]。

收稿日期：２０１３－０２－２０（修回）

由于再造烟叶作为食品原料的特殊性，需要选用

天然且无毒的助剂。瓜尔胶和壳聚糖符合上述要求，并已在造纸行业中得到了应用[4-5]，但在造纸法再造烟叶行业中的应用较少。

本文选用壳聚糖和阳离子瓜尔胶这2种天然化合物为湿部助剂，详细研究了上述助剂对再造烟叶浆料Zeta电位、打浆度、助留助滤性能以及再造烟叶基片物理性能的影响，同时给出了合适的助剂添加条件，为其在造纸法再造烟叶中的应用提供实践依据。

·４０·

造纸化学品第25卷

1实验

1.1原料和仪器

原料：氢氧化钠、醋酸，均为分析纯；阳离子瓜尔瓜尔胶和自制壳聚糖的胶；壳聚糖；轻质碳酸钙。

脱乙酰度和电荷密度如表1所示。表1

瓜尔胶和自制壳聚糖的脱乙酰度和电荷密度

助剂1号壳聚糖2号壳聚糖3号壳聚糖阳离子瓜尔胶

脱乙酰度/％

70.781.390.6-电荷密度/（·mmolg-1）

10.4811.1511.832.56

的打浆度。

1.2.5助剂影响留着的实验

在500mL浆料（浆浓为0.3％）中加入助剂，搅拌均匀后把浆料倾入动态滤水仪中，选择“模Retention”式，在500r/min的转速下转动1min后开启阀门，收集前100mL的滤液，采用文献[6]中的方法测定滤液浓度，浆料的单程留着率=（浆料浓度-滤液浓度）/浆料浓度×100％。

2

2.1

结果与讨论

助剂对浆料体系Zeta电位的影响

仪器：SZP－06型Zeta电位测定仪；PCD－03颗粒电荷测定仪；DDJ动态滤水仪；SX2－4－10型高温箱型电炉；ZSP－300高浓磨实验盘磨机；PFI磨浆机；PTI抄片机；ZUS－4型纸张厚度测定仪；ZL－300A型纸与纸板抗张试验机；YT－DL100定量取样器。1.2实验方法1.2.1制浆实验

按照5∶3∶2的质量比混合烟梗、烟片和烟末；混合后用水萃取再固液分离，经盘磨机磨浆后获得烟草浆（；漂白长纤木板加水浸泡后，经22.5°SR）

；烟草PFI磨浆机磨浆后获得外添木浆（33.6°SR）

浆、外添木浆和轻质碳酸钙混合后获得再造烟叶基片浆料，其中烟草浆与外添木浆的质量配比为9∶1，轻质碳酸钙的添加量为浆料质量的20％。1.2.2抄片实验

称取再造烟叶基片浆料（浆料绝干质量为2.5，加入助剂搅拌均匀，再倒入抄片机抄造成形获得g）

再造烟叶基片。基片分别按GB/T12914—1991、GB/T451.3—1989和GB/T451.2—1989测定抗张强度、厚度和定量。基片松厚度=基片厚度/基片定量。1.2.3

助剂影响Zeta电位的实验在500mL浆料（浆浓为0.3％）中加入助剂，搅

滤水性能和纸张的干湿Zeta电位与填料留着、

强度有着直接的联系[7]，因此有必要研究助剂的加入对浆料体系Zeta电位的影响。不同助剂对浆料体系Zeta电位的影响见图1所示。

4

20

Zeta电位/mV

-2

-4-6

-8

-10

-12Á

助剂添加量）w（/％

图1不同助剂对浆料体系Zeta电位的影响

由图1可以看出，随着助剂用量从0增加到

浆料体系的Zeta电位均有逐渐增大1％质量分数，

的趋势，这是因为助剂与带有负电荷的微小纤维发

生了絮聚，纤维中的负离子电位逐渐被中和；同等用量下，壳聚糖对浆料体系Zeta电位的改变强于阳离子瓜尔胶。当2号和3号壳聚糖的用量分别达到

浆料体系的电荷性质反转；而阳离0.6％和0.7％时，

子瓜尔胶在1.0％的用量之内，体系的电荷性质并不会发生逆转，这是因为壳聚糖的阳电荷密度明显高

于阳离子瓜尔胶（见表1）；1号壳聚糖的用量在1％以内也不会引起电荷转性，这可能是因为1号壳聚糖脱乙酰度太低，溶解性不好。从理论上讲，体系Zeta电位为0时具有最大助留和最好的滤水性能，但是由于体系的复杂性，最适宜的Zeta电位值不总是为0，一般将Zeta电

拌均匀后于Zeta电位测定仪上测定浆料体系的Zeta电位。

1.2.4助剂影响滤水的实验

浆浓为0.3％）中加入助剂，搅在1000mL浆料（

拌均匀后把浆料倾入动态滤水仪中，选择“Drainage”模式，在500r/min的转速下转动1min后开启阀门，收集前10s的滤液并称量，绘制动态滤水曲线。

按照GB3332—1982测定不同助剂加入后浆料

第2期张钰，等：壳聚糖和阳离子瓜尔胶在造纸法再造烟叶中的应用

·４１·

[8]

位值控制在微负值（，因此需要选择0～-8mV）合适的助剂和适合的添加量。2.2助剂对浆料滤水性能的影响

450

400

350滤水量/g

2.2.1助剂对打浆度的影响

打浆度是衡量浆料悬浮液性能的指标，直接反映了浆料的滤水性能，因此有必要研究助剂的引入对打浆度的影响，结果见图2所示。

300

250

200

150

100

50

35

30

25图20

00.00.20.40.60.81.0

Á助剂添加量）w（/％

打浆度/°SR

3不同助剂对浆料动态滤水性能的影响

号壳聚糖由于脱乙酰度低，与

的助留效果变差；115

纤维素底物之间的吸附不如高脱乙酰度的壳聚糖10

强烈，所以助滤效果不如后二者好。2.3助剂对单程留着率的影响0.00.20.40.60.81.0图4显示了不同助剂对浆料单程留着率的Á

助剂添加量）w（/％

影响。

图2

不同助剂对浆料打浆度的影响

由图2可以看出，浆料的打浆度起初随着助剂

用量的增加逐渐降低，这意味着浆料体系的滤水性

单

程留着率/％

能逐渐变好；当阳离子瓜尔胶和3种壳聚糖用量均浆料的打浆度分别降低了25％、为0.6％时，37％、

同等条件下，壳聚糖对打浆度的影45％以及47％；

响大于阳离子瓜尔胶；当2号和3号壳聚糖的用量打浆度反而上升，这表示浆料的滤水超过0.6％时，

性能有所下降，与上述Zeta电位试验（2号和3号

壳聚糖的用量分别达到0.7％和0.6％时，浆料体系的电荷性质反转）相吻合。这可能是因为纤维素纤维、细小组分及非纤维物质与助剂之间形成的复合物被过度中和，重新悬浮于浆料体系中，因此导致滤水性能下降。

2.2.2助剂对浆料动态滤水的影响

图3显示了不同助剂对浆料动态滤水性能的影响。

由图3得知，浆料的滤水量起初随着助剂用量的增加也逐步增加；当阳离子瓜尔胶和3种壳聚糖

前10s的滤水量较空白样分的用量均为0.6％时，

别提高了47.9、壳聚糖对浆73.7、141.2和182.1g；

料滤水性能的改善强于阳离子瓜尔胶；当2号和3号壳聚糖用量超过0.6％时，浆料的滤水速度反而下降。结合图1可知，当用量超过0.6％时，浆料体系的电荷发生了逆转，从而使得2号和3号壳聚糖

0.00.20.40.60.81.0

Á助剂添加量）w（/％

图4不同助剂对浆料单程留着率的影响

从图4可知，浆料的单程留着率起初随着助剂

用量的增加逐渐增大；同等条件下，壳聚糖的助留效果强于阳离子瓜尔胶，4种助留剂用量同为0.6％时，3号壳聚糖要比瓜尔胶高出11.1％，这是因为壳聚糖具有更高的阳离子电荷，可以更好地与细小纤维和无机填料发生静电中和、桥联、镶嵌及氢键作用，使浆料更好地絮凝，从而提高再造烟叶浆料中细小组分和填料的留着率；另外，2号和3号壳聚糖的用量分别超过0.8％和0.6％时，其助留效果开始下降，而阳离子瓜尔胶和1号壳聚糖在1％的用量之内，单程留着率一直上升，但用量大于0.6％时，上升趋势趋于平缓。2.4

助剂对再造烟叶基片物理性能的影响

·４２·

造纸化学品第25卷

图5显示了不同助剂对基片抗张强度的影响。

2.3

抗张强度/（·kNm-1）

2.21.0

2.10.92.00.8

1.90.71.80.6

0.5

3

松厚度/（cm·g-1）

0.4图6不同助剂对基片松厚度的影响

Á

助剂添加量）w（/％

1.70.00.20.40.60.81.0

Á助剂添加量）w（/％

图5不同助剂对基片抗张强度的影响

都要优于阳离子瓜尔胶，因此选用壳聚糖为湿部助

剂继续进行实验研究，以确定合适的添加工艺条件。实验以壳聚糖的脱乙酰度、添加量和体系的pH为考察因素，以浆料的滤水性能、浆料的单程留着率

正交试验，考察的因素为指标，设计“3因素3水平”水平见表2所示。

表2

水平123

从图5可以看出，加入助剂后，基片的抗张强当助剂用量为0.2％时，下降幅度较大，度有所下降。

当用量超出0.2％后，抗张强降幅为25％～34％。

度呈现不规律变化，但是不同助剂间的区别不明显。

图6显示了不同助剂对基片松厚度的影响。从图6得知，加入助剂后，烟草基片的松厚度再造烟有所提高；当4种助剂的用量均为0.6％时，叶基片的松厚度可以提高0.2～0.3cm3/g。

总的来讲，4种助剂的加入对再造烟叶基片的抗张强度和松厚度等物理性能的影响不显著，基本处于同一水平。2.5

壳聚糖应用于造纸法再造烟叶的正交优化试验通过以上的实验可知，壳聚糖在助留助滤方面

表3

实验因素

试验号123456789

因素水平表

因素

A

脱乙酰度/％

70.781.390.6

B

添加量）w（/％

0.40.60.8

C

体系pH567

依据上述试验条件设计正交优化试验如表3

所示。

正交实验结果

实验结果

A

脱乙酰度/％

70.770.770.781.381.381.390.690.690.6267/84.1320/89.8355/94.087/6.6

B

添加量）w（/％

0.40.60.80.40.60.80.40.60.8305/88.2328/90.0309/89.723/1.8

C

体系pH[1**********]9/89.8317/89.5315/88.68/1.2

滤水量/g[***********]349370345----

程留着率/％

82.385.484.789.788.591.192.596.193.3----

k1/k1′k2/k2′k3/k3′R/R′

注：k1、k2和k3表示的是滤水量；k1′、k2′和k3′表示的是单程留着率。

第2期张钰，等：壳聚糖和阳离子瓜尔胶在造纸法再造烟叶中的应用

·４３·

从正交试验结果来看，各因素对浆料滤水性

能、单程留着率和填料留着率的影响有相同的规律。根据R脱乙酰度>R添加量>RpH，其重要性依次为：壳聚糖脱乙酰度、壳聚糖添加量和体系pH。根据k值确定合适的添加条件，不论是以滤水量还是单程留着率为指标，最佳工艺参数均为A3B2C2，即壳聚糖的脱乙酰度为90％，添加量为0.6％，体系pH选择6。在此条件下进行验证试验，所得结果为：滤水量为383g，单程留着率为96.0％，填料留着率为

表明正交试验所确定的优化条件可信度较高。71.8％，

添加量为0.6％，体系pH为6，并通过验证试验确

认所优化的工艺条件较为可靠。参考文献：

［张钰，李新生.造纸法再造烟叶浆料系统中树脂和胶粘物的1］严新龙，

测定［：J］.中国造纸，2012，1（5）29-32.

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［胡惠仁，刘文，等.造纸法抄造再造烟叶助留助滤性能的研3］李杰辉，

究［：J］.中国造纸，2008，27（4）35-39.

［郭平平.壳聚糖在林业及造纸中的应用研究进展［4］赵西平，J］.福

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［李友明.瓜尔胶改性及其衍生物在造纸工业的应用［5］万小芳，J］.化工进

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［朱勇强，张向丽.白水中细小组分浓度的快速测定法［6］王晓宁，J］.

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［盛利，徐玉红.纸料Zeta电位对纸张质量性能的影响［7］李昭成，J］.

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［谢来苏.利用胶体滴定对纸浆悬浮液进行电荷分析［8］胡芳，J］.中国

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3结论

（壳聚糖对再造烟叶1）与阳离子瓜尔胶相比，

浆料的Zeta电位、打浆度、动态滤水和单程留着率的影响更为明显，而且脱乙酰度越高，效果越好。但对于高脱乙酰度的壳聚糖，过高的用量反而不利于浆料的留着和滤水，因此要注意控制助剂的用量。（2）壳聚糖和阳离子瓜尔胶的加入会影响再造烟叶基片的物理性能。4种助剂的加入均会降低基片的抗张强度，当助剂用量为0.2％时，基片的抗张强度可以下降25％～35％；但是助剂的加入均有利于提高基片的松厚度。不同助剂对于基片物料性能上的影响区别并不明显。

（3）通过正交试验对壳聚糖的应用条件进行优化，最佳工艺条件为：壳聚糖的脱乙酰度为90％，

作者简介：张钰女士（，助理工程师；主要从事造纸1985－）

法再造烟叶化学相关方面的研究；E－mail：[email protected]。通信作者：孙霞，助理工程师；E－mail：[email protected]。本文文献格式：张钰，严新龙，孙霞，等．壳聚糖和阳离子瓜尔胶在造纸法再造烟叶中的应用[J]．造纸化学品，2013，25（2）∶39-43．

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矿物科技公司的FulFillPCC技术

将应用于北美第2家造纸企业矿物科技公司日前宣布，它与北美一家重要的造纸公司签署协议，将为美国一家造纸厂提供高填料含量的新技术———FulfillTME－325。这是该公司与北美造纸生产者签署的第2份商业协议。

矿物科技公司在2010年年末推出了FulfillTM

现在，与矿物科技公司签署协议并采用E－325技术。

这种技术的造纸厂有11家。这些协议证实了

FulfillTM品牌取得的商业进展。FulfillTM品牌是为造纸生产者提供高效而灵活的系列解决方案、进而降低对天然纤维的依赖并降低成本的一系列高填料含量技术。FulfillTME－325系列能够让造纸工作者在不损害产品质量或者性能的情况下提升沉淀碳酸钙（的加填水平，因而替代了成本较高的纸浆，PCC）

提升PCC用量。（李海明）

亚什兰公司推出专有技术及其

生活用纸技术解决方案

亚什兰公司在生活用纸世界2013展会上展示其专有技术及其生活用纸技术解决方案。专家们在展会上与大家分享最新发展，一起探讨该公司引领工业的研究和测试能力。

据悉，展示的技术包括：用于低定量干起皱（和结构化纸张评估的一系列新起皱包；从可LDC）

以改善生活用纸生产运行的特种化学品到专门实用技术的“亚什兰优势（”。另外AshlandAdvantage）还有并不常见的分析装置，如高速视频摄像、尘埃度分析仪和柔润度测试仪、上升吸水测试以及亚什兰公司独有的其他能力，包括黏合剥离测试、起皱测试、全面干燥模型和动态TAD剥离测试。这些研究水平代表了生活用纸科学和技术的前沿。

（李海明）