壳聚糖 /膨润土微粒助留助滤体系在造纸法烟草薄片生产中的应用研究

胡惠仁 温洋兵 石淑兰 孙德平 唐向兵 王 亮 姚元军

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457;2.湖北中烟技术研发中心黄鹤楼薄片应用研究所,湖北武汉,430056)

壳聚糖 /膨润土微粒助留助滤体系在造纸法烟草薄片生产中的应用研究

胡惠仁1温洋兵1石淑兰1孙德平2唐向兵2王 亮2姚元军2

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457;2.湖北中烟技术研发中心黄鹤楼薄片应用研究所,湖北武汉,430056)

利用壳聚糖与膨润土组成微粒助留助滤体系,研究其对烟草浆料的助留助滤性能,以及对烟草薄片物理性能的影响。结果表明,在造纸法烟草薄片生产中,利用壳聚糖与膨润土组成微粒助留助滤体系较单独使用壳聚糖可明显改善烟草浆料的助留助滤效果及烟草薄片的成形匀度。用量为0.1%的壳聚糖与用量为 0.4%的膨润土组成的微粒助留助滤体系与只添加 0.1%的壳聚糖相比,浆料的单程留着率、填料留着率、20 s内的滤水量分别提高了 14%、12%和 190 g。

壳聚糖;膨润土;微粒助留助滤;烟草薄片

造纸法烟草薄片生产中所用助剂要求天然、无毒,同时具有良好的助留助滤和增强等性能[1]。传统的造纸法烟草薄片常用的天然高分子类助留助滤剂有壳聚糖、瓜尔胶的改性物等[2-3],其中壳聚糖由氨基葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接而成,分子链上分布着许多羟基、氨基,还有一些 N-乙酰氨基的线性大分子,是自然界存在的唯一碱性天然多糖。实际生产证明,壳聚糖是一种高效的助留助滤剂,但是添加过多的壳聚糖不仅会增加生产成本,而且会对烟草薄片卷烟吸味产生负面影响。

目前,微粒助留助滤体系在造纸工业中得到了大量应用,典型的阴离子微粒助留助滤体系由阳离子聚合物和带负电的无机微粒组成。其中,阳离子淀粉/胶体二氧化硅、阳离子聚丙烯酰胺/膨润土微粒助留体系在生产中得到了大量应用,这主要是由于微粒助留体系可同时提高浆料的留着和滤水性能,并改善纸张匀度[4]。

本课题利用食品级的壳聚糖与膨润土组成微粒助留助滤体系,开发出一种既不影响卷烟吸味,又可以改善烟草浆料助留助滤性能的微粒助留助滤体系,为造纸法烟草薄片的生产提供技术支持。

1 实 验

1.1 实验原料

壳聚糖 (CTS)、膨润土均为商业产品;烟梗、烟末、外加纤维均由湖北新业烟草公司提供。

1.2 实验方法

1.2.1 烟草原料的处理条件

烟草原料 (烟梗、烟末)在温度为 (50±5)℃,液比为 1∶4的条件下萃取 1 h,固液分离后,固相物质使用 KRK磨浆机磨浆至 23°SR;针叶木硫酸盐浆打浆度为 40°SR;PCC为工业级。

1.2.2 烟草浆料组分的配比

烟草浆、针叶木硫酸盐浆、PCC配比为 65%∶20%∶15%。

1.2.3 单程留着率与填料留着率的测定

(1)烟草浆料单程留着率的测定

将烟草浆料用自来水配成 0.5%的浓度,然后量取相当于 2.5 g绝干浆的 500 mL烟草浆料,加入助留剂搅匀后转移到动态滤水仪 (DDJ)中以一定速度搅拌 70 s,打开排水阀,取最初的 100 mL滤液,用已恒重的滤纸过滤,烘干、称重。

单程留着率 R的计算：

R=(S0-5S)/S0×100%=(1-C/C0) ×100%

式中：S0为 500 mL浆料中固形物质量,g;

S为 100 mL滤液中固形物质量,g;

C0为浆料的浓度,%;

C为滤液的浓度,%。

(2)填料留着率测定

按照 GB/T 742—2008标准测定。

1.2.4 浆料滤水性能的测定

将烟草浆料用自来水配成 0.3%的浓度,然后量取 1000 mL配好的浆料,加入阳离子助剂后倒入DFR-04动态滤水仪中。开动搅拌器,在一定速度下搅拌 20 s后打开阀门,测定 20 s滤水时间内的滤液质量 (g)。

1.2.5 手抄片物理性能的测定

手抄片物理性能按以下标准进行测定：定量 GB/T451.2—1989;抗张强度 GB/T453—1989;湿抗张强度 TAPPI T456 om—2003。

2 结果与讨论

2.1 单元助留助滤体系的助留助滤效果

图 1和图 2为壳聚糖对烟草浆料助留助滤性能的影响。从图 1可以看出,添加少量壳聚糖就能使烟草浆料的单程留着率和填料留着率明显增加。当添加0.1%壳聚糖时,烟草浆料的单程留着率和填料留着率分别为 81.8%和 74.2%,较空白样分别提高 11%和 50%。壳聚糖是一种高阳电性聚合物,与浆料作用时,壳聚糖可以通过电荷中和作用,吸附在浆料中的纤维、细小纤维、溶解性的半纤维素以及亲脂抽出物等胶体状物的表面,并能与溶解性的碳水化合物,如β-纤维素、γ-纤维素生成聚电解质复合物[5];还可以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,使之絮凝[6],因而可提高烟草浆料中细小组分和填料的留着率。当壳聚糖用量大于0.2%时,其助留效果开始下降,这是由于壳聚糖具有较高的阳电荷密度,较大的用量会使浆料系统的电荷性质发生逆转,导致留着率下降。

图1 单元助留助滤剂壳聚糖对烟草浆料的助留效果

图 2所示为壳聚糖单元助留助滤体系对烟草浆料助滤效果的影响。从图 2可以看出,添加壳聚糖能明显改善烟草浆料的滤水性能。当壳聚糖用量为 0.1%时,浆料 20 s内的滤水量较空白样提高 260 g。这是因为壳聚糖具有较高的阳电荷密度,与烟草浆料作用时容易与纤维、细小组分、填料作用形成絮聚体,并能中和纤维表面细小纤维的电荷使其发生收缩,导致流体阻力减小,滤水性能提高。但是,当壳聚糖用量较高时浆料的滤水速度呈下降趋势。

图2 单元助留助滤剂对烟草浆料的助滤效果

烟草薄片主要用于卷烟,因此添加助剂时应考虑到对卷烟抽吸质量的影响。生产实践证明,加入过多的壳聚糖虽然能够改善烟草浆料的助留助滤效果,但是对卷烟抽吸质量会产生负面影响。因此从助留助滤效果方面考虑,取 0.1%用量的壳聚糖与膨润土微粒助留助滤剂组成助留助滤体系较为合适。

2.2 壳聚糖单元助留助滤体系对烟草薄片干湿抗张强度的影响

烟草薄片成品的质量指标,要求其抗张强度≤1.00 kN/m(参照烟草行业标准 YC/T 16.3—2003),过高的强度会使烟草薄片的后续加工性能及柔软性、口感等品质下降,但过低的强度会影响纸机的正常运行。壳聚糖对烟草薄片强度性能影响的实验结果如图3所示。从图 3可以看出,加入少量 (小于 0.2%)壳聚糖就能使薄片的抗张强度明显下降,这是因为随着壳聚糖的加入,浆料中填料 PCC的留着率增加(见图 1),从而阻碍了纤维间的氢键结合。壳聚糖添加量大于 0.2%以后,随着壳聚糖用量的增加,烟草薄片的抗张强度增加。

图3 壳聚糖用量对烟草薄片干湿抗张强度的影响

目前,国内的造纸法烟草薄片生产中大都采用浸渍法涂布,烟草薄片的湿强度大小会影响涂布加工的正常运转,而且烟草薄片在后续加工 (切丝、卷烟等)过程中需要在一定湿度和温度下进行调理,因此对烟草薄片的湿抗张强度有一定的要求。壳聚糖对烟草薄片湿抗张强度的影响如图 3所示。增加壳聚糖的用量可明显改善烟草薄片的湿抗张强度,当壳聚糖用量为 0.1%时,湿抗张指数较空白样提高 11.0%,这主要是由于壳聚糖分子中的碱性基团—NH2可以充分接近纤维表面,不仅可以和纤维表面的羧基形成离子键合,还可以与纤维中存在的一些醛基形成少量共价键[5],从而提高烟草薄片的湿抗张强度[7-8]。

2.3 微粒助留助滤体系对烟草浆料助留助滤性能的影响

本实验选择 0.1%的壳聚糖加入量与膨润土微粒助留助滤剂组成微粒助留助滤体系,其助留助滤效果如图 4和图 5所示。从图 4可以看出,添加膨润土就能明显改善烟草浆料体系的留着率,当膨润土用量为0.4%时,烟草浆料的单程留着率和填料留着率分别较添加 0.1%的壳聚糖要高 14%和 12%,这是因为壳聚糖相对分子质量高,与浆料颗粒间产生聚合物桥联作用形成大而松散的桥联絮聚体,在高剪切力作用下受到破坏,使纤维表面暴露出更多的聚合物链段,与高负电性、高比表面积的膨润土作用强烈,借助于微粒桥联作用,形成尺寸更小、结构更致密、强度更大、水分更低的微小絮聚体,从而提高了烟草浆料的留着率。当膨润土用量大于 0.4%以后,增加膨润土用量对烟草浆料的留着率具有负面作用。

图4 微粒助留助滤体系对浆料助留性能的影响

图 5所示为 0.1%的壳聚糖与膨润土组成的微粒助留助滤体系对烟草浆料滤水性能的影响。从图 5可以看出,添加少量的膨润土就能明显改善烟草浆料的滤水性能,当添加 0.2%的膨润土时,烟草浆料 20 s内的滤水量为 650 g,比只添加 0.1%的壳聚糖高 190 g,这是因为阴离子膨润土与高剪切力破坏后的絮体形成尺寸更小、结构更致密、强度更大、水分更低的微小絮聚体,从而在提高烟草浆料留着率的同时,也相对改善了成纸的滤水性能[9]。当膨润土用量大于0.2%以后,增加膨润土用量对烟草浆料的滤水量几乎没有影响。

图5 微粒助留助滤体系对浆料滤水性能的影响

2.4 微粒助留助滤体系对烟草薄片物理性能的影响

图 6所示为微粒助留助滤剂用量对烟草薄片抗张强度和湿抗张强度的影响。从图 6可以看出,当膨润土用量小于 0.4%时,烟草薄片的抗张指数略有增加,这主要是微粒体系对烟草薄片成形匀度改善的结果 (见图7),但是当膨润土用量大于 0.4%以后,随着膨润土用量的增加,烟草薄片抗张强度会下降很多,这主要是由于添加过多膨润土会阻碍了纤维间氢键的结合。

另外,从图 6中也可以看出,与抗张强度不同的是,添加膨润土对烟草薄片的湿强度具有负面作用。添加少量的膨润土就能使烟草薄片的湿抗张强度有较大幅度的下降,当添加 0.2%的膨润土时,烟草薄片的湿抗张指数较只添加 0.1%的壳聚糖下降 12.9%。因为纸张的湿抗张强度主要是由成形时助剂与纤维之间形成的离子键和共价键所改善的,而添加膨润土会阻碍壳聚糖的碱性基团—NH2与纤维中的羧基形成离子键合,或与纤维中存在的一些醛基形成少量共价键[7-8]。

图6 微粒助留助滤剂用量对烟草薄片干湿强度的影响

2.5 单元助留与微粒助留体系对烟草薄片匀度指数的影响

图 7、图 8所示为壳聚糖单元体系与微粒助留助滤体系助剂用量对烟草薄片匀度指数的影响。从图 7和图 8可以看出,单独使用壳聚糖时,随着壳聚糖用量的增加,烟草薄片的匀度指数呈下降趋势,因为添加过多的壳聚糖会使浆料形成的絮聚体较大,降低成形匀度;而壳聚糖与膨润土组成的微粒助留助滤体系则能改善烟草薄片的成形匀度,这主要是由于阴离子膨润土与高剪切力破坏后的絮体形成了尺寸更小、结构更致密的絮体,从而改善了烟草薄片的成形匀度。当膨润土用量为 0.4%时,微粒助留助滤体系的匀度指数较添加 0.1%的壳聚糖要高 3个单位。

3 结 论

3.1 添加过多的壳聚糖,虽然可以改善烟草浆料的助留助滤性能和烟草薄片的湿抗张强度,但是添加过多壳聚糖会影响烟草薄片的卷烟抽吸质量,壳聚糖用量为 0.1%左右时较为合适。

3.2 利用壳聚糖与膨润土组成微粒助留助滤体系能够明显改善烟草浆料的助留助滤性能。膨润土适宜用量为 0.2%～0.4%之间时,烟草浆料的单程留着率和填料留着率较只用 0.1%的壳聚糖分别提高了 14%和 12%,20 s的滤水量增加 190 g。

3.3 壳聚糖 /膨润土微粒助留助滤体系对烟草薄片的干湿抗张强度均具有负面作用,但降低幅度较小,不会影响到纸机的运行。

[1] 李杰辉,胡惠仁,刘 文,等.造纸法抄造烟草薄片助留助滤性能的研究[J].中国造纸,2008,27(4)：35.

[2] 张光华.造纸湿部化学原理及其应用[M].北京：中国轻工业出版社,1998.

[3] 王 著.田菁胶、羟丙基田菁胶和瓜尔胶的分子量及其分布研究[J].色谱,1995,13(3)：205.

[4] 胡惠仁,徐立新.造纸化学品 [M].北京：化学工业出版社,2008.

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[6] Li H B,Du YM,Wu X J,et al.Effect of molecular weight and degree of substitution of quaternary chitosan on its absorption and flocculation properties for potential retention-aids in alkaline papermaking[J].Colloids and Surfaces A：Physico chemical and Engineering Aspects,2004,242：1.

[7] 刘成金,黎厚斌,柯贤文,等.壳聚糖类造纸助剂的作用机理及应用进展[J].造纸化学品,2006,18(2)：48.

[8] 付丽红,程惊秋.壳聚糖与纤维的交互作用对手抄片性能的影响[J].中国造纸学报,2006,21(4)：22.

[9] 刘温霞,邱化玉.造纸湿部化学[M].北京：化学工业出版社,2005.

(责任编辑：赵旸宇)

Application of Chitosan/Bentonite Particle Retention and Drainage System in Tobacco Sheet Manufacture by Papermaking Process

HU Hui-ren1WEN Yang-bing1,＊SHI Shu-lan1TANG Xiang-bing2WANGLiang2YAO Yuan-jun2
(1.Tianjin Key Lab of Pulp and Paper,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457;2.Tobacco Sheet Research Institute,R&D Centre of Hubei Tobacco Company,Wuhan,Hubei Province,430056)
( ＊ E-mail：wenyangbing@mail.tust.cn)

In this paper,the effect of chitosan and bentonite particulate retention and drainage system on the retention and drainage performance of the tobacco pulp,and tobacco sheet physical property was studied.The results showed that the chitosan/bentonite particle retention and drainage system can improve retention and drainage performance of the tobacco slurry significantly.Compared with using 0.1% chitosan alone,when the particulate retention and drainage system of 0.1% chitosan and 0.4%of the bentonite is used,the first retention,filler retention,drainage volume in 20 s are increased by 14%,12%and 190 g respectively.

tobacco sheet;chitosan;bentonite;particulate retention and drainage system

TS727+.2

A

0254-508X(2011)04-0030-04

胡惠仁先生,教授;主要研究方向：造纸助剂与湿部化学、制浆造纸清洁生产技术。

2010-12-15(修改稿)