羧甲基纤维素(CMC)又称羧甲基纤维素钠,是天然纤维素的醚类衍生物,为白色或微黄色粉末,属水溶性阴离子表面活性剂,具有一定的黏度,可以改变流体的流变特性,广泛应用于造纸、石油钻井、医药卫生、日用化工、食品、建筑、纺织、光电材料等行业,而且安全无毒,有“工业味素”之称。
羧甲基纤维素一般采用天然纤维素分子与氯乙酸在碱性条件下经过碱化、醚化反应制备,其分子结构中引入了亲水性的羧甲基基团,使得纤维素的溶胀性有了大幅度的提高,易与纸浆纤维和填料粒子亲和,增强纸张韧度及强度,同时纸浆和填料所带的负电荷相互排斥,使得纤维和填料在纸浆中均匀分散,纸张匀度得到改善;羧甲基纤维素还具有很好的成膜性及流变特性,在造纸工业中可作为表面施胶剂、纸张增强剂、纸机湿部助剂及保水剂等应用。
1羧甲基纤维素在造纸工业中的应用
羧甲基纤维素在造纸领域应用广泛,溶于水后溶胀形成类似胶体状物质,加之其较好的黏合力,能与纸浆纤维和填料紧密结合,在表面施胶剂中加入CMC可以提高纸张强度及平整度,本身作为表面活性剂能对颜料进行很好的分散,提高印染效果,同时还能通过控制和调节涂料的流变性提高保水效果,是多功能的造纸助剂。
1.表面施胶剂
轩海化工羧甲基纤维素成膜性好,并且具有一定的膜转移性,可以经过浆内施胶或未经浆内施胶的纸或纸板表面均匀涂布,羧甲基纤维素具有一定的保水效果,因此可以调节纸张的湿度,从而改善纸张因干燥引起的内部应变,耐摩擦性、平滑度等也得到了提高,同时还能克服纸面起毛、掉粉等问题。
纸张印刷过程中经过高温后经常会出现翘边、卷曲、色彩分布不均、油墨吸收差等不良现象,影响印刷的美观及质量,表面施胶能改善纸张的表面强度,是提高印刷效果的最直接有效的方法。将羧甲基纤维素用于本色印刷纸表面施胶,不仅可以改善成纸的物理强度,提高纸张的档次,而且可以降低生产成本。改性淀粉也是很好的表面施胶剂,但是成膜性不及羧甲基纤维素,而且容易积聚,影响后期印刷。用氧化淀粉和羧甲基纤维素的混合物作为表面施胶剂收到了很好的效果,实验结果证明羧甲基纤维素是一种高效的表面施胶剂,考虑到其价格较贵,实际生产中氧化淀粉和羧甲基纤维素按2∶1比例的混合物为好。以CMC为施胶剂,采用刷涂法制备的抗菌纸的抗菌性能明显优于以丙烯酸树脂为施胶剂制备的抗菌纸,用其作为鞋盒能提高鞋的抗菌性能,并且长时间保持。研究还发现,CMC施胶有利于滤棒纸厚度及吸液高度,还能提高滤棒成形纸的表面性能,为高性能滤棒纸的研究开辟了新径。
2. 纸机湿部助剂
静电吸附是湿部化学品留着的主要作用力,纤维表面羧基的存在使得纤维带有一定的负电性,为湿部化学品在纤维上的吸附提供了重要的附着点,加之其网络结构,有利于纸浆中电势的调节。
羧甲基纤维素进入湿部纸料中后,羧甲基与纤维上的羟基发生化学水合作用,增强了纤维间的键合力,再经过纸机后续各道抄造工序的物理加工,纤维间的结合力进一步增强,纸张的各种物理强度指标均得到提高。
羧甲基纤维素具有较强的亲和力,与合适的阳离子助剂复合使用将会有协同效应,能够提高纸机的单程留着率和助剂效果。
轩海化工CMC作为湿部添加剂可改进纸板的性质,其用量控制在0.4～0.5%范围内在纸板表面形成膜,使纸板均匀成形,提高纸板的平滑度。添加CMC后,抗张强度提高了20%～30%、表面强度提高了25%～35%,白度也得到改善。聚丙烯酰胺是很好的造纸助剂,与CMC在适当的添加范围内具有协同增效作用。当添加取代度(DS)为0.97的CMC,其用量为绝干浆质量的0.4%～0.8%时,纸浆中有足够量的CMC阴离子与聚丙烯酰胺阳离子达到良好的协同效应,分子内形成稳固的氢键,纸张的抗张强度、耐破度、撕裂度和耐折度均显著提高。
对羧甲基纤维素在无碳复写原纸湿部的添加效果进行研究,实验结果发现CMC在网部对滤水起到了抑制作用,所以导致了网部水线的延长。在无碳复写原纸生产中添加CMC处理的浆料,并与其他助剂搭配使用可以明显提高网部留着率及成纸的各项物理指标,吨纸综合成本下降36元,而且系统较以前更清洁,纸机运行更正常。
3. 保水剂
羧甲基纤维素主要通过调节涂料流变性来提高涂料的保水值,防止胶黏剂的迁移,提高涂布效果,使纸张表面平整光滑。还能赋予涂层良好的光学性能、不透明度及足够的表面强度。此外,含CMC的涂料因具有良好的流变性,可提高涂料的固含量,相应地降低分散介质的用量,使得可逸出的水分减少,提高涂料的保水性能。
羧甲基纤维素钠不仅能改善涂料的稳定性,提高涂层的表面拉毛强度,还能起到辅助胶黏剂的作用,使珠光颜料涂布纸达到很好的印刷效果。涂布纸是重要的包装纸,因此要求具有较好的印刷性能。
羧甲基纤维素具有强力的疏水特性,是有效的保水剂,在涂布刮刀上起润滑剂的作用,给予涂布机良好的运行性能。羧甲基纤维素不仅对涂料及涂布工艺有影响,而且对涂布纸的最终性能也起着关键作用。
通过调节涂料配方中羧甲基纤维素的用量,检测其对涂料及涂布纸性能的影响。结果表明,在一定范围内羧甲基纤维素用量增加,涂料形成的网状结构更强固,涂料黏度增加,触变性增加,保水性更好。羧甲基纤维素的黏度是保水效果的直接影响因素,CMC加入纸浆中能提高纤维吸水润胀能力。研究结果表明,随着CMC黏度的增加,保水值也增加。加入到涂料中的CMC分子链通过氢键吸附在涂料粒子上,其吸附量与分子链的长度成正比。而伸入液相的未发生吸附的含活性羟基的链节同样可通过氢键与未被水化的分散介质(水)结合,阻止游离水分逃逸,提高涂料的保水能力。用羧甲基纤维素(CMC)处理漂白针叶木浆,在纤维表面引入更多的带电基团,使CMC在特定条件下吸附到硫酸盐浆纤维表面,形成紧密的纤维网络,显著提高纸浆保水效果,这与纸浆成纸内结合强度和抗张强度的提高相关。
4. 增强剂
羧甲基纤维素溶于水形成透明的黏性溶液,加入纸浆中将纤维包覆起来,在纸页成形干燥脱水的过程中,由于羟基和羧甲基的存在,分子之间通过氢键进行牢固结合,纤维之间通过其自身的架桥作用形成更多的氢键结合,增加了纤维与纤维之间的结合力,提高纸张的强度的同时还能增强小分子及填料的留着率。高填料纸可以降低造纸原料成本,但随着加填量的提高,纸张的机械强度大大降低,掉粉问题愈发严重,同时对施胶也产生不利影响。CMC是高效的纤维增强剂,能解决粉煤灰提取物硅酸钙填料在纸张中的高留着带来的强度下降问题,将其加入施胶剂中进行两次施胶后,抗张指数得到大幅度提高。粉煤灰中含有不同的酸碱性金属氧化物,作为造纸填料在水溶液中容易导致粉煤灰纤维之间互相吸引、絮聚成团,因此需要分散剂对粉煤灰纤维进行分散。CMC结构中含有稳定的六元环和极性基团羟基,可与粉煤灰纤维表面的极性羟基形成氢键,增加对粉煤灰纤维的吸附作用,从而增大粉煤灰纤维的可润湿性,在添加量相同的条件下,CMC对纸张增强效果优于CPAM。
分子沉积技术可以在纤维表面吸附电解质使其亲水性基团增多,提高溶胀性,使得纤维自身强度及纤维间的结合强度增加。对此进行研究,并对旧瓦楞纸浆中PAE/CMC二元增强体系应用效果进行分析,在PAE用量0.9%,轩海化工CMC用量0.6%,电导率1000μs/cm条件下,旧瓦楞纸的裂断长、耐压度、环压强度均有明显改善,同时还发现,即使纤维表面吸附了阳离子聚电解质PAE后,表面电性并没有反转也可以对阴离子聚电解质CMC有吸附作用,达到纸张增强效果。
阴离子聚合物(羧甲基纤维素)和阳离子聚合物(改性壳聚糖)桥接在纤维表面,产生的静电作用能提高阴离子聚合物在纤维表面的吸附量,增加纸页强度,快速干燥使手抄纸强度的增加更加明显。实验结果表明,高分子量的CMC有利于增加纸页的抗菌性和强度,尤其是湿强度。当胍盐抗菌剂/CMC聚电解质复合物复合比例为0.5%～1.0%,添加到纸浆中的复合物含量为0.1%时,加热干燥45min能够使纸页具备很好的干/湿强度比(大于20%)。
