介绍了一种新型造纸助剂——瓜尔胶及其改性产物,揭示了其内在的分子结构特点及行为特性,并阐述其性能优越的根本原因。研究表明,它能适应现代工厂零排放的要求,在提高纸页留着和滤水的同时能保持或提高纸页匀度,是一种前景广阔的环保助剂。
关键词:造纸助剂;瓜尔胶;阳离子瓜尔胶;助留助滤

　　瓜尔胶,英文名为“guargum”,是从广泛种植于印巴次大陆的一种豆科植物——瓜尔豆中提取的一种高纯化天然多糖。由于其独特的分子结构特点及天然性,使其迅速成为性能优越的新型环保造纸助剂;同时它还被广泛应用于食品、石油、医药等领域。

　　瓜尔胶就分子结构来说是一种非离子多糖,它以聚甘露糖为分子主链,D-吡喃甘露糖单元之间以β(1-4)苷键连接。而Ｄ-吡喃半乳糖则以α(1-6)键连接在聚甘露糖主链上。瓜尔胶中甘露糖与半乳糖单元之摩尔比为2∶1,即每隔一甘露糖单元连接着一个半乳糖分支。文献中报道,瓜尔胶的分子量在220000左右。瓜尔胶分子的最大特点也即最大优点便是与纤维素结构非常相似,这种相似性使它对纤维素有很强的亲和性,称之为直接性(substaｎtivity)。

　　瓜尔胶的最初出现是作为刺槐豆胶(Locustbeangum)的替代品而产生的。在此之前,刺槐豆胶被广泛应用于工业生产并造成了需求紧张。后来研究证明,虽然瓜尔胶和刺槐豆胶均为聚半乳糖甘露糖,但二者在化学组成和行为上有着明显的区别。刺槐豆胶要达到最大粘度需要高温水煮,而瓜尔胶在冷水中就可以水化。化学组成上,刺槐豆胶平均每4个甘露糖单元才有1.5个乳糖支链。所以瓜尔胶分支单元数为刺槐豆胶的2倍。而这被认为是瓜尔胶比刺槐豆胶更容易水化和氢键结合活性更大的主要原因。除此之外,瓜尔胶的成本仅是刺槐豆胶的一半。

　　瓜尔胶直链上没有非极性基团,大部分伯羟基和仲羟基都处在外侧,而且半乳糖支链并没有遮住活性的醇羟基。因而瓜尔胶具有最大的氢键结合面积,当与纤维结合时,形成的氢键结合距离短,结合力大。为赋予瓜尔胶更好的使用性能,通常对瓜尔胶原粉进行化学改性。瓜尔胶的改性主要有两个方向:一是在分子链上引入阳离子基团,从而获得一定的正电性。如用季铵盐3-氯2-羟丙基氯化铵与瓜尔胶原粉在有机溶剂中醚化反应生成阳离子瓜尔胶。这种带正电的改性瓜尔胶便可以与带负电的纤维、填料粒子相互作用从而提高原有的助留、助滤和增强效果。另一改性方向便是设法增加瓜尔胶分子链的长度,增大其分子量,从而增强其架桥连接能力。阳离子瓜尔胶在冷水中可溶,这与阳离子淀粉相比是一个很大优势。

　　另外,许多淀粉分子形成螺旋状结构,而瓜尔胶分子则形成直链结构。所以瓜尔胶的活性基团比阳离子淀粉更容易与纤维接近,从而少量的阳离子瓜尔胶便可能达到较多量阳离子淀粉才能达到的使用效果。当今,聚丙烯酰胺和改性淀粉广泛应用于造纸中的助留助滤剂。但其效果只能达到一定程度。它们在提高滤水的同时可能使纤维过度凝聚,从而降低纸页匀度和强度。天然瓜尔胶作为造纸助剂时,可以提高纸页强度,减少灰斑形成并提高纸页匀度。但它的缺点便是造成滤水困难,从而降低了产量或提高了干燥部负荷。而经过化学改性的两性或阳离子瓜尔胶则在很大程度上克服了这一弊病。实验发现,这些改性的瓜尔胶能在提高纸页滤水的同时保持或提高纸页匀度;通过吸附细小纤维和粒子可以进一步改善滤水,同时提高一次留着率。而在过去,这两方面都是互斥的。

　　由于阳离子瓜尔胶的有效性主要取决于它与纤维的亲和性(即直接性),所以它并不与“阴离子垃圾”反应。鉴于这一点,阳离子瓜尔胶在黑液的存在下仍能有效地发挥作用。对于新闻纸、未漂硫酸盐浆、废纸浆等含有较多杂质的浆料,随着封闭水循环的推广,阴离子垃圾的积累将显著增加。这便会使得许多传统的造纸助剂如阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)等失去作用效果。阳离子瓜尔胶可以有效地克服这一点。实验研究发现,阳离子瓜尔胶在Zeta电位从-8ｍV到0ｍV范围内效果最好。该Zeta电位范围与绝大部分造纸过程相吻合。

　　国外对瓜尔胶作为造纸增强剂、助留助滤剂、絮凝剂、打浆增粘剂等领域都进行了深入的研究。许多成果应用于造纸实践中。Lindstrom和Soremark将高分子助剂被浆料吸收并发挥作用的过程分为三步:

　　①助剂高分子从溶液向溶液—纤维界面迁移;

　　②穿过界面;

　　③助剂高分子与纤维重新组织分布并在表面形成氢键结合。

　　②或③是决定性步骤。

　　DerekＡbson等人在此基础上对4种造纸助剂阳离子淀粉(CS)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、阳离子瓜尔胶(CGG)、阳离子聚乙烯醇(CPVA)的助留助滤效果在动态滤水仪上进行了实验研究。他们发现,步骤①是决定性一步。在4种阳离子助剂中,虽然阳离子瓜尔胶第①步的迁移吸收速率最慢,但无论对细小纤维还是填料,其助留助滤效果都是最好的。

　　Swanson研究表明,0.5%的分散刺槐豆胶加入漂白亚硫酸盐浆可以降低70%的打浆时间并提高32%的耐破度。而瓜尔胶被认为效果更佳。Mason认为瓜尔胶作为絮凝剂时会覆盖于纤维表面,并像润滑剂一样使粗糙表面平滑,从而使纤维滑过时不产生缠结。JohnW.Swanson也认为瓜尔胶使纸页匀度改善并不是因为它对纤维有分散作用,而是因为延缓了纤维的凝聚和缠结。

　　瓜尔胶使用简单,不需要单独溶解设备,没有分子链的剪切降解问题,无毒无害。阳离子瓜尔胶也可以与阳离子淀粉及合适的有机酸混合后作为增强和助滤剂,它比单独使用阳离子瓜尔胶或阳离子淀粉效果都好。随着对瓜尔胶研究的深入,这种天然的高分子造纸助剂必定会在现代化的造纸工业中发挥更大作用。
 
作者：王军利