纳米纤维素阳离子化改性方法和高强度卷烟纸的制备方法

摘要

本发明属于特种纸生产领域，特别涉及一种纳米纤维素阳离子化改性方法和使用这种改性纳米纤维素制备高强度卷烟纸的方法。针对纳米纤维素高比表面积的特点，通过采用KOH和添加醚化反应促进剂的方法，将反应温度降低到50℃以下，对纳米纤维素进行阳离子化改性，改性后的纳米纤维素同时具有留着和增强的特点，使得改性后的纳米纤维素具有更广阔的应用前景；卷烟纸制备方法不使用针叶木浆，并在尽量减少阔叶木纤维分丝、帚化的情况下，以确保产品获得较高的自然透气度和较好的结合强度，显著降低纸张生产过程中尤其是打浆过程中的能耗，减少造纸厂设备投资，抄造高强度卷烟纸，并提高纸页品质，产品具有较高的强度和透气度，符合节能减排的要求。

说明书

技术领域

本发明属于特种纸生产领域，特别涉及一种纳米纤维素阳离子化改性方法和使用这种改性纳米纤维素制备高强度卷烟纸的方法。

背景技术

卷烟纸是卷烟机械包裹烟丝制成卷烟的薄型包装材料，也是具有保证和控制卷烟和烟丝的燃烧性能的特种工业技术用纸。卷烟纸作为卷烟工业的主要配套材料，其质量的优劣直接影响到卷烟生产行业的效益。卷烟行业对卷烟纸有如下特殊技术要求：(1)要有足够的抗张强度，尤其是卷烟纸的综合强度；(2)要有足够高的透气度，透气度达到60cu，透气度的变异系数<l0%；(3)纸张的均匀性好，纸面细腻，白度高，特别是每个盘纸之间纸张质量必须均匀稳定；(4)要有清晰的压纹；(5)要有较好的燃烧性能，灰片白，而且香烟的包灰好。

卷烟纸行业改善纸页强度主要通过提高打浆度和使用增干强助剂。采用高打浆度的针叶木浆来实现纸页高强度，但是针叶木浆相对阔叶木浆价格要高很多，这就存在较高能耗和成本问题。所以目前卷烟纸厂普遍采用添加阳离子淀粉、阳离子瓜尔胶等天然产物改性物作为增强助剂。但是这类增强助剂增强效果有限，仍需要针叶木浆配抄来提高纸页强度。在同一条生产线上使用两套打浆设备使得卷烟纸厂投资成本增大。

2008年瑞士科学家研制成功一种比铸铁还要硬的新型纸张，这种纸页主要是利用在传统纸张中发现的生物材料—纳米纤维素制成的。这种新方法包括，利用酶分解木质纸浆，然后借助一个机械搅拌器将它分段。产生的切变应力导致纤维素分解成组成纤维。结果未受损的纤维素纤维浮在水中。将水排干后，伯格伦德发现，这些纤维通过氢键结合在一起构成网状，形成平滑的“纳米纸”。机械测试显示，这种纸具有214兆帕的抗张强度，比铸铁(130兆帕)还强韧，几乎跟建筑所用钢铁(250兆帕)的强度一样（常规纸张的抗张强度不超过1兆帕）。该测试使用的纸张是40毫米长，5毫米宽，大约50微米厚。由于纳米纤维素的高强度特点和广阔的应用背景，纳米纤维素的化学改性研究成为当前研究的一个热点。

纤维素、半纤维素和淀粉的阳离子化反应是比较经典的醚化反应，已经有很多文献报道。但这类反应一般都使用NaOH作为碱源，阳离子醚化剂的转化率不高，而且反应温度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阳离子醚化剂的转化率高、反应温度低的纳米纤维素阳离子化改性方法和使用改性纳米纤维素作为助留增强剂制备高强度卷烟纸的方法：

本发明所采用的技术方案是：

一种纳米纤维素阳离子化的改性方法，其步骤如下：

将一定量纳米纤维素分散到水中，于其中依次加入KOH、阳离子醚化试剂和醚化反应促进剂，在30－50℃下反应1－2小时，用盐酸调节反应体系的pH值为3-8，得到纳米纤维素的水分散体；将纳米纤维素水分散体用乙醇沉淀，并依次用丙酮和乙醚洗涤，得到白色阳离子型纳米纤维素。

所述阳离子醚化试剂为2，3－环氧丙基三甲基氯化铵或3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，优先选择2，3－环氧丙基三甲基氯化铵。

所述醚化反应促进剂为K₂CO₃、Na2CO3、酒石酸钾、酒石酸钠中的一种或几种，特别的优先选择酒石酸钾。

所述物料重量配比为：纳米纤维素：醚化试剂：KOH：醚化反应促进剂为100：10～30：4～7：1～2。

采用用上述方法生产的改性纳米纤维素作为助留增强剂制备高强度卷烟纸的方法，包括以下步骤：

a)                     打浆工段，采用双圆盘磨连续打浆，阔叶木浆打浆浓度为：3.6～3.8％、叩解度保证在18～22⁰SR之间，打完浆后备用；

b)   抄纸工段，在打好的阔叶木浆内采用连续加添的方式，加添碳酸钙，加添量为纸浆总重量的25～60％，并向已经添加碳酸钙的浆内加添阳离子化纳米纤维素，阳离子化纳米纤维素加入量为阔叶木浆总重量的0.4～2.0%；然后经网部及压榨部脱水成形后，湿纸页进入前干阶段，经表面施胶机进行氧化淀粉胶液后再继续烘干，卷烟纸制备完成。

所述阳离子化纳米纤维素的直径为3－12nm，长径比≥300。

本发明的技术效果是：针对纳米纤维素高比表面积的特点，通过采用KOH和添加醚化反应促进剂的方法，将反应温度降低到50℃以下，对纳米纤维素进行阳离子化改性，改性后的纳米纤维素同时具有留着和增强的特点，使得改性后的纳米纤维素具有更广阔的应用前景；卷烟纸制备方法通过配用具有显著提升纸页强度的的改性阳离子纳米纤维素，不使用针叶木浆，并在尽量减少阔叶木纤维分丝、帚化的情况下，以确保产品获得较高的自然透气度和较好的结合强度，采用该方法生产高强度卷烟纸，显著降低纸张生产过程中尤其是打浆过程中的能耗，减少造纸厂设备投资，抄造高强度卷烟纸，并提高纸页品质，与普通的卷烟纸有明显不同，产品具有较高的强度和透气度，符合节能减排的要求。

具体实施方式

一种纳米纤维素阳离子化的改性方法：

实施例1：

将100g的纳米纤维素分散到3L水中，于其中依次加入5g KOH、15g2，3－环氧丙基三甲基氯化铵和1.2g K₂CO₃，在40℃下反应1～2小时，用盐酸调节反应体系的pH值至6，得到纳米纤维素的水分散体。将纳米纤维素水分散体用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml丙酮和40ml乙醚洗涤，得到白色阳离子型纳米纤维素112g。元素分析检测2，3－环氧丙基三甲基氯化铵反应转化率达90％。

实施例2

将100g的纳米纤维素分散到3L水中，于其中依次加入5g KOH、15g2，3－环氧丙基三甲基氯化铵和1.1 g Na₂CO₃，在40℃下反应1～2小时，用盐酸调节反应体系的pH值至6，得到纳米纤维素的水分散体。将纳米纤维素水分散体用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml丙酮和40ml乙醚洗涤，得到白色阳离子型纳米纤维素107g。元素分析检测2，3－环氧丙基三甲基氯化铵反应转化率达91％。

实施例3

将100g的纳米纤维素分散到3L水中，于其中依次加入6g KOH、15g 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和1.1 g Na₂CO₃，在40℃下反应1～2小时，用盐酸调节反应体系的pH值至6，得到纳米纤维素的水分散体。将纳米纤维素水分散体用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml丙酮和40ml乙醚洗涤，得到白色阳离子型纳米纤维素104g。元素分析检测3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵反应转化率达81％。

实施例4

将100g的纳米纤维素分散到3L水中，于其中依次加入6g KOH、15g 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和1.0g 酒石酸钠，在40℃下反应1～2小时，用盐酸调节反应体系的pH值至6，得到纳米纤维素的水分散体。将纳米纤维素水分散体用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml丙酮和40ml乙醚洗涤，得到白色阳离子型纳米纤维素114g。元素分析检测3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵反应转化率达84％。

实施例5

将100g的纳米纤维素分散到3L水中，于其中依次加入6g KOH、15g 2，3－环氧丙基三甲基氯化铵和1.2g 酒石酸钾，在45℃下反应1～2小时，用盐酸调节反应体系的pH值至6，得到纳米纤维素的水分散体。将纳米纤维素水分散体用300ml乙醇沉淀，并依次用200ml丙酮和40ml乙醚洗涤，得到白色阳离子型纳米纤维素112g。元素分析检测2，3－环氧丙基三甲基氯化铵反应转化率达96％。

采用上述改性纳米纤维素作为助留增强剂制备高强度卷烟纸的方法：

实施例1

a)       打浆工段，采用双圆盘磨连续打浆，阔叶木浆打浆浓度为3.6％、叩解度保证在19⁰SR，打完浆后备用；

b)      抄纸工段，在打好的阔叶木浆内采用连续加添的方式，加添碳酸钙，纸浆中的加添量为纸浆总重量的40％，并向已经添加碳酸钙的浆内加阳离子化纳米纤维素，阳离子化纳米纤维素加入量为阔叶木浆质量的1.0%。然后经网部及压榨部脱水成形后，湿纸页进入前干阶段，经表面施胶机进行氧化淀粉胶液后再继续烘干，氧化淀粉用量为0.3g/m²；

纸张物理性能检测结果，定量26.4 g，纸页抗张强度为1.44 kN/m，透气度为78CU，透气度变异系小于5。碳酸钙单程留着率49％。

实施例2

a)           打浆工段，采用双圆盘磨连续打浆，阔叶木浆打浆浓度为3.7％、叩解度保证在20⁰SR，打完浆后备用；

b)          抄纸工段，在打好的阔叶木浆内采用连续加添的方式，加添碳酸钙，纸浆中的加添量为纸浆总重量的30％，并向已经添加碳酸钙的浆内加阳离子化纳米纤维素，阳离子化纳米纤维素加入量为阔叶木浆质量的1.5%。然后经网部及压榨部脱水成形后，湿纸页进入前干阶段，经表面施胶机进行氧化淀粉胶液后再继续烘干，氧化淀粉用量为0.3g/m²；

纸张物理性能检测结果，定量26.8 g，纸页抗张强度为1.29 kN/m，透气度为70CU，透气度变异系小于5。碳酸钙单程留着率52％。

普通卷烟纸纸张物理性能检测：定量27.0 g，纸页抗张强度为1.03 kN/m，透气度为48CU，透气度变异系小于6。碳酸钙单程留着率34％。

本发明实施例纸页检测方法按照下列标准方法执行：

YC/T 172    卷烟纸、成形纸、接装纸及具有定向透气带的材料 透气度的测定（YC/T 172-2002，ISO 2965：IDT）

GB/T 456    纸和纸板 平滑度的测定（别克法）（GB/T 456－2002，idt ISO 5627：1995）

GB/T 1540   纸和纸板 吸水性的测定（Cobb法）（GB/T 1540－2002，neq ISO 535：1991）

GB/T 12914-2008  纸和纸板 抗张强度的测定（ISO 1924-1：1992，MOD；ISO 1924-2：1994）

纸机填料留着率计算方法执行标准：Tappi T269 pm-85。