羧甲基纖維素(CMC)又稱羧甲基纖維素鈉,是天然纖維素的醚類衍生物,為白色或微黃色粉末,屬水溶性陰離子表面活性劑,具有一定的黏度,可以改變流體的流變特性,廣泛應用于造紙、石油鉆井、醫(yī)藥衛(wèi)生、日用化工、食品、建筑、紡織、光電材料等行業(yè),而且安全無毒,有“工業(yè)味素”之稱。

羧甲基纖維素一般采用天然纖維素分子與氯乙酸在堿性條件下經(jīng)過堿化、醚化反應制備,其分子結(jié)構(gòu)中引入了親水性的羧甲基基團,使得纖維素的溶脹性有了大幅度的提高,易與紙漿纖維和填料粒子親和,增強紙張韌度及強度,同時紙漿和填料所帶的負電荷相互排斥,使得纖維和填料在紙漿中均勻分散,紙張勻度得到改善;羧甲基纖維素還具有很好的成膜性及流變特性,在造紙工業(yè)中可作為表面施膠劑、紙張增強劑、紙機濕部助劑及保水劑等應用。

1羧甲基纖維素在造紙工業(yè)中的應用

羧甲基纖維素在造紙領域應用廣泛,溶于水后溶脹形成類似膠體狀物質(zhì),加之其較好的黏合力,能與紙漿纖維和填料緊密結(jié)合,在表面施膠劑中加入CMC可以提高紙張強度及平整度,本身作為表面活性劑能對顏料進行很好的分散,提高印染效果,同時還能通過控制和調(diào)節(jié)涂料的流變性提高保水效果,是多功能的造紙助劑。

1.表面施膠劑

軒?；燃谆w維素成膜性好,并且具有一定的膜轉(zhuǎn)移性,可以經(jīng)過漿內(nèi)施膠或未經(jīng)漿內(nèi)施膠的紙或紙板表面均勻涂布,羧甲基纖維素具有一定的保水效果,因此可以調(diào)節(jié)紙張的濕度,從而改善紙張因干燥引起的內(nèi)部應變,耐摩擦性、平滑度等也得到了提高,同時還能克服紙面起毛、掉粉等問題。

紙張印刷過程中經(jīng)過高溫后經(jīng)常會出現(xiàn)翹邊、卷曲、色彩分布不均、油墨吸收差等不良現(xiàn)象,影響印刷的美觀及質(zhì)量,表面施膠能改善紙張的表面強度,是提高印刷效果的最直接有效的方法。將羧甲基纖維素用于本色印刷紙表面施膠,不僅可以改善成紙的物理強度,提高紙張的檔次,而且可以降低生產(chǎn)成本。改性淀粉也是很好的表面施膠劑,但是成膜性不及羧甲基纖維素,而且容易積聚,影響后期印刷。用氧化淀粉和羧甲基纖維素的混合物作為表面施膠劑收到了很好的效果,實驗結(jié)果證明羧甲基纖維素是一種高效的表面施膠劑,考慮到其價格較貴,實際生產(chǎn)中氧化淀粉和羧甲基纖維素按2∶1比例的混合物為好。以CMC為施膠劑,采用刷涂法制備的抗菌紙的抗菌性能明顯優(yōu)于以丙烯酸樹脂為施膠劑制備的抗菌紙,用其作為鞋盒能提高鞋的抗菌性能,并且長時間保持。研究還發(fā)現(xiàn),CMC施膠有利于濾棒紙厚度及吸液高度,還能提高濾棒成形紙的表面性能,為高性能濾棒紙的研究開辟了新徑。

2. 紙機濕部助劑

靜電吸附是濕部化學品留著的主要作用力,纖維表面羧基的存在使得纖維帶有一定的負電性,為濕部化學品在纖維上的吸附提供了重要的附著點,加之其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),有利于紙漿中電勢的調(diào)節(jié)。

羧甲基纖維素進入濕部紙料中后,羧甲基與纖維上的羥基發(fā)生化學水合作用,增強了纖維間的鍵合力,再經(jīng)過紙機后續(xù)各道抄造工序的物理加工,纖維間的結(jié)合力進一步增強,紙張的各種物理強度指標均得到提高。

羧甲基纖維素具有較強的親和力,與合適的陽離子助劑復合使用將會有協(xié)同效應,能夠提高紙機的單程留著率和助劑效果。

軒?；MC作為濕部添加劑可改進紙板的性質(zhì),其用量控制在0.4～0.5%范圍內(nèi)在紙板表面形成膜,使紙板均勻成形,提高紙板的平滑度。添加CMC后,抗張強度提高了20%～30%、表面強度提高了25%～35%,白度也得到改善。聚丙烯酰胺是很好的造紙助劑,與CMC在適當?shù)奶砑臃秶鷥?nèi)具有協(xié)同增效作用。當添加取代度(DS)為0.97的CMC,其用量為絕干漿質(zhì)量的0.4%～0.8%時,紙漿中有足夠量的CMC陰離子與聚丙烯酰胺陽離子達到良好的協(xié)同效應,分子內(nèi)形成穩(wěn)固的氫鍵,紙張的抗張強度、耐破度、撕裂度和耐折度均顯著提高。

對羧甲基纖維素在無碳復寫原紙濕部的添加效果進行研究,實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)CMC在網(wǎng)部對濾水起到了抑制作用,所以導致了網(wǎng)部水線的延長。在無碳復寫原紙生產(chǎn)中添加CMC處理的漿料,并與其他助劑搭配使用可以明顯提高網(wǎng)部留著率及成紙的各項物理指標,噸紙綜合成本下降36元,而且系統(tǒng)較以前更清潔,紙機運行更正常。

3. 保水劑

羧甲基纖維素主要通過調(diào)節(jié)涂料流變性來提高涂料的保水值,防止膠黏劑的遷移,提高涂布效果,使紙張表面平整光滑。還能賦予涂層良好的光學性能、不透明度及足夠的表面強度。此外,含CMC的涂料因具有良好的流變性,可提高涂料的固含量,相應地降低分散介質(zhì)的用量,使得可逸出的水分減少,提高涂料的保水性能。

羧甲基纖維素鈉不僅能改善涂料的穩(wěn)定性,提高涂層的表面拉毛強度,還能起到輔助膠黏劑的作用,使珠光顏料涂布紙達到很好的印刷效果。涂布紙是重要的包裝紙,因此要求具有較好的印刷性能。

羧甲基纖維素具有強力的疏水特性,是有效的保水劑,在涂布刮刀上起潤滑劑的作用,給予涂布機良好的運行性能。羧甲基纖維素不僅對涂料及涂布工藝有影響,而且對涂布紙的最終性能也起著關鍵作用。

通過調(diào)節(jié)涂料配方中羧甲基纖維素的用量,檢測其對涂料及涂布紙性能的影響。結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi)羧甲基纖維素用量增加,涂料形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更強固,涂料黏度增加,觸變性增加,保水性更好。羧甲基纖維素的黏度是保水效果的直接影響因素,CMC加入紙漿中能提高纖維吸水潤脹能力。研究結(jié)果表明,隨著CMC黏度的增加,保水值也增加。加入到涂料中的CMC分子鏈通過氫鍵吸附在涂料粒子上,其吸附量與分子鏈的長度成正比。而伸入液相的未發(fā)生吸附的含活性羥基的鏈節(jié)同樣可通過氫鍵與未被水化的分散介質(zhì)(水)結(jié)合,阻止游離水分逃逸,提高涂料的保水能力。用羧甲基纖維素(CMC)處理漂白針葉木漿,在纖維表面引入更多的帶電基團,使CMC在特定條件下吸附到硫酸鹽漿纖維表面,形成緊密的纖維網(wǎng)絡,顯著提高紙漿保水效果,這與紙漿成紙內(nèi)結(jié)合強度和抗張強度的提高相關。

4. 增強劑

羧甲基纖維素溶于水形成透明的黏性溶液,加入紙漿中將纖維包覆起來,在紙頁成形干燥脫水的過程中,由于羥基和羧甲基的存在,分子之間通過氫鍵進行牢固結(jié)合,纖維之間通過其自身的架橋作用形成更多的氫鍵結(jié)合,增加了纖維與纖維之間的結(jié)合力,提高紙張的強度的同時還能增強小分子及填料的留著率。高填料紙可以降低造紙原料成本,但隨著加填量的提高,紙張的機械強度大大降低,掉粉問題愈發(fā)嚴重,同時對施膠也產(chǎn)生不利影響。CMC是高效的纖維增強劑,能解決粉煤灰提取物硅酸鈣填料在紙張中的高留著帶來的強度下降問題,將其加入施膠劑中進行兩次施膠后,抗張指數(shù)得到大幅度提高。粉煤灰中含有不同的酸堿性金屬氧化物,作為造紙?zhí)盍显谒芤褐腥菀讓е路勖夯依w維之間互相吸引、絮聚成團,因此需要分散劑對粉煤灰纖維進行分散。CMC結(jié)構(gòu)中含有穩(wěn)定的六元環(huán)和極性基團羥基,可與粉煤灰纖維表面的極性羥基形成氫鍵,增加對粉煤灰纖維的吸附作用,從而增大粉煤灰纖維的可潤濕性,在添加量相同的條件下,CMC對紙張增強效果優(yōu)于CPAM。

分子沉積技術(shù)可以在纖維表面吸附電解質(zhì)使其親水性基團增多,提高溶脹性,使得纖維自身強度及纖維間的結(jié)合強度增加。對此進行研究,并對舊瓦楞紙漿中PAE/CMC二元增強體系應用效果進行分析,在PAE用量0.9%,軒海化工CMC用量0.6%,電導率1000μs/cm條件下,舊瓦楞紙的裂斷長、耐壓度、環(huán)壓強度均有明顯改善,同時還發(fā)現(xiàn),即使纖維表面吸附了陽離子聚電解質(zhì)PAE后,表面電性并沒有反轉(zhuǎn)也可以對陰離子聚電解質(zhì)CMC有吸附作用,達到紙張增強效果。

陰離子聚合物(羧甲基纖維素)和陽離子聚合物(改性殼聚糖)橋接在纖維表面,產(chǎn)生的靜電作用能提高陰離子聚合物在纖維表面的吸附量,增加紙頁強度,快速干燥使手抄紙強度的增加更加明顯。實驗結(jié)果表明,高分子量的CMC有利于增加紙頁的抗菌性和強度,尤其是濕強度。當胍鹽抗菌劑/CMC聚電解質(zhì)復合物復合比例為0.5%～1.0%,添加到紙漿中的復合物含量為0.1%時,加熱干燥45min能夠使紙頁具備很好的干/濕強度比(大于20%)。