專利名稱：納米纖維素陽離子化改性方法和高強(qiáng)度卷煙紙的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于特種紙生產(chǎn)領(lǐng)域，特別涉及一種納米纖維素陽離子化改性方法和使用這種改性納米纖維素制備高強(qiáng)度卷煙紙的方法。
背景技術(shù)：
卷煙紙是卷煙機(jī)械包裹煙絲制成卷煙的薄型包裝材料，也是具有保證和控制卷煙和煙絲的燃燒性能的特種工業(yè)技術(shù)用紙。卷煙紙作為卷煙工業(yè)的主要配套材料，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到卷煙生產(chǎn)行業(yè)的效益。卷煙行業(yè)對卷煙紙有如下特殊技術(shù)要求(1)要有足夠的抗張強(qiáng)度，尤其是卷煙紙的綜合強(qiáng)度；( 要有足夠高的透氣度，透氣度達(dá)到60CU， 透氣度的變異系數(shù)<10%; (3)紙張的均勻性好，紙面細(xì)膩，白度高，特別是每個盤紙之間紙張質(zhì)量必須均勻穩(wěn)定；(4)要有清晰的壓紋；(5)要有較好的燃燒性能，灰片白，而且香煙的包灰好。卷煙紙行業(yè)改善紙頁強(qiáng)度主要通過提高打漿度和使用增干強(qiáng)助劑。采用高打漿度的針葉木漿來實(shí)現(xiàn)紙頁高強(qiáng)度，但是針葉木漿相對闊葉木漿價格要高很多，這就存在較高能耗和成本問題。所以目前卷煙紙廠普遍采用添加陽離子淀粉、陽離子瓜爾膠等天然產(chǎn)物改性物作為增強(qiáng)助劑。但是這類增強(qiáng)助劑增強(qiáng)效果有限，仍需要針葉木漿配抄來提高紙頁強(qiáng)度。在同一條生產(chǎn)線上使用兩套打漿設(shè)備使得卷煙紙廠投資成本增大。2008年瑞士科學(xué)家研制成功一種比鑄鐵還要硬的新型紙張，這種紙頁主要是利用在傳統(tǒng)紙張中發(fā)現(xiàn)的生物材料一納米纖維素制成的。這種新方法包括，利用酶分解木質(zhì)紙漿，然后借助一個機(jī)械攪拌器將它分段。產(chǎn)生的切變應(yīng)力導(dǎo)致纖維素分解成組成纖維。結(jié)果未受損的纖維素纖維浮在水中。將水排干后，伯格倫德發(fā)現(xiàn)，這些纖維通過氫鍵結(jié)合在一起構(gòu)成網(wǎng)狀，形成平滑的“納米紙”。機(jī)械測試顯示，這種紙具有214兆帕的抗張強(qiáng)度，比鑄鐵(130兆帕)還強(qiáng)韌，幾乎跟建筑所用鋼鐵Q50兆帕)的強(qiáng)度一樣(常規(guī)紙張的抗張強(qiáng)度不超過1兆帕)。該測試使用的紙張是40毫米長，5毫米寬，大約50微米厚。由于納米纖維素的高強(qiáng)度特點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用背景，納米纖維素的化學(xué)改性研究成為當(dāng)前研究的一個熱點(diǎn)ο纖維素、半纖維素和淀粉的陽離子化反應(yīng)是比較經(jīng)典的醚化反應(yīng)，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)報道。但這類反應(yīng)一般都使用NaOH作為堿源，陽離子醚化劑的轉(zhuǎn)化率不高，而且反應(yīng)溫度尚。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種陽離子醚化劑的轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)溫度低的納米纖維素陽離子化改性方法和使用改性納米纖維素作為助留增強(qiáng)劑制備高強(qiáng)度卷煙紙的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種納米纖維素陽離子化的改性方法，其步驟如下
將一定量納米纖維素分散到水中，于其中依次加入Κ0Η、陽離子醚化試劑和醚化反應(yīng)促
3進(jìn)劑，在30 - 50°C下反應(yīng)1 一 2小時，用鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值為3-8，得到納米纖維素的水分散體；將納米纖維素水分散體用乙醇沉淀，并依次用丙酮和乙醚洗滌，得到白色陽離子型納米纖維素。所述陽離子醚化試劑為2，3 —環(huán)氧丙基三甲基氯化銨或3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨，優(yōu)先選擇2，3 —環(huán)氧丙基三甲基氯化銨。所述醚化反應(yīng)促進(jìn)劑為K2C03、Na2C03、酒石酸鉀、酒石酸鈉中的一種或幾種，特別的優(yōu)先選擇酒石酸鉀。所述物料重量配比為納米纖維素醚化試劑Κ0Η 醚化反應(yīng)促進(jìn)劑為100 10 30 :4 7 :1 2。采用用上述方法生產(chǎn)的改性納米纖維素作為助留增強(qiáng)劑制備高強(qiáng)度卷煙紙的方法，包括以下步驟
a)打漿工段，采用雙圓盤磨連續(xù)打漿，闊葉木漿打漿濃度為3.6 3. 8%、叩解度保證在18 22°SR之間，打完漿后備用；
b)抄紙工段，在打好的闊葉木漿內(nèi)采用連續(xù)加添的方式，加添碳酸鈣，加添量為紙漿總重量的25 60%，并向已經(jīng)添加碳酸鈣的漿內(nèi)加添陽離子化納米纖維素，陽離子化納米纖維素加入量為闊葉木漿總重量的0. 4 2. 0% ；然后經(jīng)網(wǎng)部及壓榨部脫水成形后，濕紙頁進(jìn)入前干階段，經(jīng)表面施膠機(jī)進(jìn)行氧化淀粉膠液后再繼續(xù)烘干，卷煙紙制備完成。所述陽離子化納米纖維素的直徑為3 - 12nm，長徑比彡300。本發(fā)明的技術(shù)效果是針對納米纖維素高比表面積的特點(diǎn)，通過采用KOH和添加醚化反應(yīng)促進(jìn)劑的方法，將反應(yīng)溫度降低到50°C以下，對納米纖維素進(jìn)行陽離子化改性，改性后的納米纖維素同時具有留著和增強(qiáng)的特點(diǎn)，使得改性后的納米纖維素具有更廣闊的應(yīng)用前景；卷煙紙制備方法通過配用具有顯著提升紙頁強(qiáng)度的的改性陽離子納米纖維素，不使用針葉木漿，并在盡量減少闊葉木纖維分絲、帚化的情況下，以確保產(chǎn)品獲得較高的自然透氣度和較好的結(jié)合強(qiáng)度，采用該方法生產(chǎn)高強(qiáng)度卷煙紙，顯著降低紙張生產(chǎn)過程中尤其是打漿過程中的能耗，減少造紙廠設(shè)備投資，抄造高強(qiáng)度卷煙紙，并提高紙頁品質(zhì)，與普通的卷煙紙有明顯不同，產(chǎn)品具有較高的強(qiáng)度和透氣度，符合節(jié)能減排的要求。
具體實(shí)施例方式一種納米纖維素陽離子化的改性方法 實(shí)施例1
將IOOg的納米纖維素分散到3L水中，于其中依次加入5g K0H、15g2，3 —環(huán)氧丙基三甲基氯化銨和1. 2g K2CO3，在40°C下反應(yīng)1 2小時，用鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值至6，得到納米纖維素的水分散體。將納米纖維素水分散體用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml丙酮和40ml乙醚洗滌，得到白色陽離子型納米纖維素112g。元素分析檢測2，3—環(huán)氧丙基三甲基氯化銨反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)90%。實(shí)施例2
將IOOg的納米纖維素分散到3L水中，于其中依次加入5g K0H、15g2，3 —環(huán)氧丙基三甲基氯化銨和1. 1 g Na2CO3，在40°C下反應(yīng)1 2小時，用鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值至6， 得到納米纖維素的水分散體。將納米纖維素水分散體用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml丙酮和40ml乙醚洗滌，得到白色陽離子型納米纖維素107g。元素分析檢測2，3 —環(huán)氧丙基三甲基氯化銨反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)91 %。實(shí)施例3
將IOOg的納米纖維素分散到3L水中，于其中依次加入6g K0H、15g 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨和1. 1 g Na2CO3，在40°C下反應(yīng)1 2小時，用鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值至 6，得到納米纖維素的水分散體。將納米纖維素水分散體用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml 丙酮和40ml乙醚洗滌，得到白色陽離子型納米纖維素104g。元素分析檢測3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)81 %。實(shí)施例4
將IOOg的納米纖維素分散到3L水中，于其中依次加入6g K0H、15g 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨和1. Og酒石酸鈉，在40°C下反應(yīng)1 2小時，用鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值至 6，得到納米纖維素的水分散體。將納米纖維素水分散體用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml 丙酮和40ml乙醚洗滌，得到白色陽離子型納米纖維素114g。元素分析檢測3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)84 %。實(shí)施例5
將IOOg的納米纖維素分散到3L水中，于其中依次加入6g K0H、15g 2，3—環(huán)氧丙基三甲基氯化銨和1. 2g酒石酸鉀，在45°C下反應(yīng)1 2小時，用鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值至 6，得到納米纖維素的水分散體。將納米纖維素水分散體用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml 丙酮和40ml乙醚洗滌，得到白色陽離子型納米纖維素112g。元素分析檢測2，3—環(huán)氧丙基三甲基氯化銨反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)96 %。采用上述改性納米纖維素作為助留增強(qiáng)劑制備高強(qiáng)度卷煙紙的方法 實(shí)施例1
a)打漿工段，采用雙圓盤磨連續(xù)打漿，闊葉木漿打漿濃度為3.6%、叩解度保證在 19°SR，打完漿后備用；
b)抄紙工段，在打好的闊葉木漿內(nèi)采用連續(xù)加添的方式，加添碳酸鈣，紙漿中的加添量為紙漿總重量的40%，并向已經(jīng)添加碳酸鈣的漿內(nèi)加陽離子化納米纖維素，陽離子化納米纖維素加入量為闊葉木漿質(zhì)量的1.0%。然后經(jīng)網(wǎng)部及壓榨部脫水成形后，濕紙頁進(jìn)入前干階段，經(jīng)表面施膠機(jī)進(jìn)行氧化淀粉膠液后再繼續(xù)烘干，氧化淀粉用量為0. 3g/m2 ；
紙張物理性能檢測結(jié)果，定量26. 4 g，紙頁抗張強(qiáng)度為1.44 kN/m，透氣度為78⑶，透氣度變異系小于5。碳酸鈣單程留著率49%。實(shí)施例2
a)打漿工段，采用雙圓盤磨連續(xù)打漿，闊葉木漿打漿濃度為3.7%、叩解度保證在 20°SR，打完漿后備用；
b)抄紙工段，在打好的闊葉木漿內(nèi)采用連續(xù)加添的方式，加添碳酸鈣，紙漿中的加添量為紙漿總重量的30%，并向已經(jīng)添加碳酸鈣的漿內(nèi)加陽離子化納米纖維素，陽離子化納米纖維素加入量為闊葉木漿質(zhì)量的1.5%。然后經(jīng)網(wǎng)部及壓榨部脫水成形后，濕紙頁進(jìn)入前干階段，經(jīng)表面施膠機(jī)進(jìn)行氧化淀粉膠液后再繼續(xù)烘干，氧化淀粉用量為0. 3g/m2 ；
紙張物理性能檢測結(jié)果，定量26. 8 g，紙頁抗張強(qiáng)度為1. kN/m，透氣度為70⑶，透氣度變異系小于5。碳酸鈣單程留著率52%。
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普通卷煙紙紙張物理性能檢測定量27. 0 g，紙頁抗張強(qiáng)度為1. 03 kN/m,透氣度為48CU，透氣度變異系小于6。碳酸鈣單程留著率34%。本發(fā)明實(shí)施例紙頁檢測方法按照下列標(biāo)準(zhǔn)方法執(zhí)行
YC/T 172卷煙紙、成形紙、接裝紙及具有定向透氣帶的材料透氣度的測定(YC/T 172-2002, ISO 2965 :IDT)
GB/T 456紙和紙板平滑度的測定(別克法)(GB/T 456 - 2002, idt ISO 5627 :1995) GB/T 1540 紙和紙板吸水性的測定(Cobb 法)(GB/T 1540 — 2002，neq ISO 535 1991)
GB/T 12914-2008 紙和紙板抗張強(qiáng)度的測定(ISO 1924-1 :1992, MOD ；ISO 1924-2 1994)
紙機(jī)填料留著率計算方法執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)=Tappi T269 pm_85。
權(quán)利要求
1.納米纖維素陽離子化改性方法，其特征在于步驟如下將一定量納米纖維素分散到水中，于其中依次加入Κ0Η、陽離子醚化試劑和醚化反應(yīng)促進(jìn)劑，在30 50°C下反應(yīng)1 2小時，用鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值為3-8，得到納米纖維素的水分散體；將納米纖維素水分散體用乙醇沉淀，并依次用丙酮和乙醚洗滌，得到白色陽離子型納米纖維素。
2.如權(quán)利要求1所述的納米纖維素陽離子化改性方法，其特征在于所述所述陽離子醚化試劑為2，3 —環(huán)氧丙基三甲基氯化銨或3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨，優(yōu)先選擇2，3 — 環(huán)氧丙基三甲基氯化銨。
3.如權(quán)利要求1所述的納米纖維素陽離子化改性方法，其特征在于所述所述醚化反應(yīng)促進(jìn)劑為K2C03、Na2C03、酒石酸鉀、酒石酸鈉中的一種或幾種，優(yōu)先選擇酒石酸鉀。
4.如權(quán)利要求1所述的納米纖維素陽離子化改性方法，其特征在于所述所述物料重量配比為納米纖維素醚化試劑Κ0Η 醚化反應(yīng)促進(jìn)劑為100 10 30 :4 7 :1 2。
5.使用權(quán)利要求1所述方法生產(chǎn)的改性納米纖維素作為助留增強(qiáng)劑制備高強(qiáng)度卷煙紙的方法，其特征在于步驟如下a)打漿工段，采用雙圓盤磨連續(xù)打漿，闊葉木漿打漿濃度為3.6 3. 8%、叩解度保證在18 22°SR之間，打完漿后備用；b)抄紙工段，在打好的闊葉木漿內(nèi)采用連續(xù)加添的方式，加添碳酸鈣，加添量為紙漿總重量的25 60%，并向已經(jīng)添加碳酸鈣的漿內(nèi)加添用權(quán)利要求1所述方法生產(chǎn)的陽離子化納米纖維素，陽離子化納米纖維素加入量為闊葉木漿總重量的0. 4 2. 0% ；然后經(jīng)網(wǎng)部及壓榨部脫水成形后，濕紙頁進(jìn)入前干階段，經(jīng)表面施膠機(jī)進(jìn)行氧化淀粉膠液后再繼續(xù)烘干，卷煙紙制備完成。
6.如權(quán)利要求5所述的制備高強(qiáng)度卷煙紙的方法，其特征在于所述陽離子化納米纖維素的直徑為3 12nm，長徑比彡300。
全文摘要
本發(fā)明屬于特種紙生產(chǎn)領(lǐng)域，特別涉及一種納米纖維素陽離子化改性方法和使用這種改性納米纖維素制備高強(qiáng)度卷煙紙的方法。針對納米纖維素高比表面積的特點(diǎn)，通過采用KOH和添加醚化反應(yīng)促進(jìn)劑的方法，將反應(yīng)溫度降低到50℃以下，對納米纖維素進(jìn)行陽離子化改性，改性后的納米纖維素同時具有留著和增強(qiáng)的特點(diǎn)，使得改性后的納米纖維素具有更廣闊的應(yīng)用前景；卷煙紙制備方法不使用針葉木漿，并在盡量減少闊葉木纖維分絲、帚化的情況下，以確保產(chǎn)品獲得較高的自然透氣度和較好的結(jié)合強(qiáng)度，顯著降低紙張生產(chǎn)過程中尤其是打漿過程中的能耗，減少造紙廠設(shè)備投資，抄造高強(qiáng)度卷煙紙，并提高紙頁品質(zhì)，產(chǎn)品具有較高的強(qiáng)度和透氣度，符合節(jié)能減排的要求。
文檔編號D21H17/26GK102180979SQ20111005898
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月12日
發(fā)明者任萬山, 李勁松, 查瑞濤, 溫思茹, 鮑漫秋 申請人:牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司