殼聚糖 /膨潤土微粒助留助濾體系在造紙法煙草薄片生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

胡惠仁 溫洋兵 石淑蘭 孫德平 唐向兵 王 亮 姚元軍

(1.天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457;2.湖北中煙技術(shù)研發(fā)中心黃鶴樓薄片應(yīng)用研究所,湖北武漢,430056)

殼聚糖 /膨潤土微粒助留助濾體系在造紙法煙草薄片生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

胡惠仁1溫洋兵1石淑蘭1孫德平2唐向兵2王 亮2姚元軍2

(1.天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457;2.湖北中煙技術(shù)研發(fā)中心黃鶴樓薄片應(yīng)用研究所,湖北武漢,430056)

利用殼聚糖與膨潤土組成微粒助留助濾體系,研究其對煙草漿料的助留助濾性能,以及對煙草薄片物理性能的影響。結(jié)果表明,在造紙法煙草薄片生產(chǎn)中,利用殼聚糖與膨潤土組成微粒助留助濾體系較單獨使用殼聚糖可明顯改善煙草漿料的助留助濾效果及煙草薄片的成形勻度。用量為0.1%的殼聚糖與用量為 0.4%的膨潤土組成的微粒助留助濾體系與只添加 0.1%的殼聚糖相比,漿料的單程留著率、填料留著率、20 s內(nèi)的濾水量分別提高了 14%、12%和 190 g。

殼聚糖;膨潤土;微粒助留助濾;煙草薄片

造紙法煙草薄片生產(chǎn)中所用助劑要求天然、無毒,同時具有良好的助留助濾和增強等性能[1]。傳統(tǒng)的造紙法煙草薄片常用的天然高分子類助留助濾劑有殼聚糖、瓜爾膠的改性物等[2-3],其中殼聚糖由氨基葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵連接而成,分子鏈上分布著許多羥基、氨基,還有一些 N-乙酰氨基的線性大分子,是自然界存在的唯一堿性天然多糖。實際生產(chǎn)證明,殼聚糖是一種高效的助留助濾劑,但是添加過多的殼聚糖不僅會增加生產(chǎn)成本,而且會對煙草薄片卷煙吸味產(chǎn)生負面影響。

目前,微粒助留助濾體系在造紙工業(yè)中得到了大量應(yīng)用,典型的陰離子微粒助留助濾體系由陽離子聚合物和帶負電的無機微粒組成。其中,陽離子淀粉/膠體二氧化硅、陽離子聚丙烯酰胺/膨潤土微粒助留體系在生產(chǎn)中得到了大量應(yīng)用,這主要是由于微粒助留體系可同時提高漿料的留著和濾水性能,并改善紙張勻度[4]。

本課題利用食品級的殼聚糖與膨潤土組成微粒助留助濾體系,開發(fā)出一種既不影響卷煙吸味,又可以改善煙草漿料助留助濾性能的微粒助留助濾體系,為造紙法煙草薄片的生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 實 驗

1.1 實驗原料

殼聚糖 (CTS)、膨潤土均為商業(yè)產(chǎn)品;煙梗、煙末、外加纖維均由湖北新業(yè)煙草公司提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 煙草原料的處理條件

煙草原料 (煙梗、煙末)在溫度為 (50±5)℃,液比為 1∶4的條件下萃取 1 h,固液分離后,固相物質(zhì)使用 KRK磨漿機磨漿至 23°SR;針葉木硫酸鹽漿打漿度為 40°SR;PCC為工業(yè)級。

1.2.2 煙草漿料組分的配比

煙草漿、針葉木硫酸鹽漿、PCC配比為 65%∶20%∶15%。

1.2.3 單程留著率與填料留著率的測定

(1)煙草漿料單程留著率的測定

將煙草漿料用自來水配成 0.5%的濃度,然后量取相當于 2.5 g絕干漿的 500 mL煙草漿料,加入助留劑攪勻后轉(zhuǎn)移到動態(tài)濾水儀 (DDJ)中以一定速度攪拌 70 s,打開排水閥,取最初的 100 mL濾液,用已恒重的濾紙過濾,烘干、稱重。

單程留著率 R的計算：

R=(S0-5S)/S0×100%=(1-C/C0) ×100%

式中：S0為 500 mL漿料中固形物質(zhì)量,g;

S為 100 mL濾液中固形物質(zhì)量,g;

C0為漿料的濃度,%;

C為濾液的濃度,%。

(2)填料留著率測定

按照 GB/T 742—2008標準測定。

1.2.4 漿料濾水性能的測定

將煙草漿料用自來水配成 0.3%的濃度,然后量取 1000 mL配好的漿料,加入陽離子助劑后倒入DFR-04動態(tài)濾水儀中。開動攪拌器,在一定速度下攪拌 20 s后打開閥門,測定 20 s濾水時間內(nèi)的濾液質(zhì)量 (g)。

1.2.5 手抄片物理性能的測定

手抄片物理性能按以下標準進行測定：定量 GB/T451.2—1989;抗張強度 GB/T453—1989;濕抗張強度 TAPPI T456 om—2003。

2 結(jié)果與討論

2.1 單元助留助濾體系的助留助濾效果

圖 1和圖 2為殼聚糖對煙草漿料助留助濾性能的影響。從圖 1可以看出,添加少量殼聚糖就能使煙草漿料的單程留著率和填料留著率明顯增加。當添加0.1%殼聚糖時,煙草漿料的單程留著率和填料留著率分別為 81.8%和 74.2%,較空白樣分別提高 11%和 50%。殼聚糖是一種高陽電性聚合物,與漿料作用時,殼聚糖可以通過電荷中和作用,吸附在漿料中的纖維、細小纖維、溶解性的半纖維素以及親脂抽出物等膠體狀物的表面,并能與溶解性的碳水化合物,如β-纖維素、γ-纖維素生成聚電解質(zhì)復合物[5];還可以與細小纖維和無機填料發(fā)生靜電中和、橋聯(lián)、鑲嵌及氫鍵作用,使之絮凝[6],因而可提高煙草漿料中細小組分和填料的留著率。當殼聚糖用量大于0.2%時,其助留效果開始下降,這是由于殼聚糖具有較高的陽電荷密度,較大的用量會使?jié){料系統(tǒng)的電荷性質(zhì)發(fā)生逆轉(zhuǎn),導致留著率下降。

圖1 單元助留助濾劑殼聚糖對煙草漿料的助留效果

圖 2所示為殼聚糖單元助留助濾體系對煙草漿料助濾效果的影響。從圖 2可以看出,添加殼聚糖能明顯改善煙草漿料的濾水性能。當殼聚糖用量為 0.1%時,漿料 20 s內(nèi)的濾水量較空白樣提高 260 g。這是因為殼聚糖具有較高的陽電荷密度,與煙草漿料作用時容易與纖維、細小組分、填料作用形成絮聚體,并能中和纖維表面細小纖維的電荷使其發(fā)生收縮,導致流體阻力減小,濾水性能提高。但是,當殼聚糖用量較高時漿料的濾水速度呈下降趨勢。

圖2 單元助留助濾劑對煙草漿料的助濾效果

煙草薄片主要用于卷煙,因此添加助劑時應(yīng)考慮到對卷煙抽吸質(zhì)量的影響。生產(chǎn)實踐證明,加入過多的殼聚糖雖然能夠改善煙草漿料的助留助濾效果,但是對卷煙抽吸質(zhì)量會產(chǎn)生負面影響。因此從助留助濾效果方面考慮,取 0.1%用量的殼聚糖與膨潤土微粒助留助濾劑組成助留助濾體系較為合適。

2.2 殼聚糖單元助留助濾體系對煙草薄片干濕抗張強度的影響

煙草薄片成品的質(zhì)量指標,要求其抗張強度≤1.00 kN/m(參照煙草行業(yè)標準 YC/T 16.3—2003),過高的強度會使煙草薄片的后續(xù)加工性能及柔軟性、口感等品質(zhì)下降,但過低的強度會影響紙機的正常運行。殼聚糖對煙草薄片強度性能影響的實驗結(jié)果如圖3所示。從圖 3可以看出,加入少量 (小于 0.2%)殼聚糖就能使薄片的抗張強度明顯下降,這是因為隨著殼聚糖的加入,漿料中填料 PCC的留著率增加(見圖 1),從而阻礙了纖維間的氫鍵結(jié)合。殼聚糖添加量大于 0.2%以后,隨著殼聚糖用量的增加,煙草薄片的抗張強度增加。

圖3 殼聚糖用量對煙草薄片干濕抗張強度的影響

目前,國內(nèi)的造紙法煙草薄片生產(chǎn)中大都采用浸漬法涂布,煙草薄片的濕強度大小會影響涂布加工的正常運轉(zhuǎn),而且煙草薄片在后續(xù)加工 (切絲、卷煙等)過程中需要在一定濕度和溫度下進行調(diào)理,因此對煙草薄片的濕抗張強度有一定的要求。殼聚糖對煙草薄片濕抗張強度的影響如圖 3所示。增加殼聚糖的用量可明顯改善煙草薄片的濕抗張強度,當殼聚糖用量為 0.1%時,濕抗張指數(shù)較空白樣提高 11.0%,這主要是由于殼聚糖分子中的堿性基團—NH2可以充分接近纖維表面,不僅可以和纖維表面的羧基形成離子鍵合,還可以與纖維中存在的一些醛基形成少量共價鍵[5],從而提高煙草薄片的濕抗張強度[7-8]。

2.3 微粒助留助濾體系對煙草漿料助留助濾性能的影響

本實驗選擇 0.1%的殼聚糖加入量與膨潤土微粒助留助濾劑組成微粒助留助濾體系,其助留助濾效果如圖 4和圖 5所示。從圖 4可以看出,添加膨潤土就能明顯改善煙草漿料體系的留著率,當膨潤土用量為0.4%時,煙草漿料的單程留著率和填料留著率分別較添加 0.1%的殼聚糖要高 14%和 12%,這是因為殼聚糖相對分子質(zhì)量高,與漿料顆粒間產(chǎn)生聚合物橋聯(lián)作用形成大而松散的橋聯(lián)絮聚體,在高剪切力作用下受到破壞,使纖維表面暴露出更多的聚合物鏈段,與高負電性、高比表面積的膨潤土作用強烈,借助于微粒橋聯(lián)作用,形成尺寸更小、結(jié)構(gòu)更致密、強度更大、水分更低的微小絮聚體,從而提高了煙草漿料的留著率。當膨潤土用量大于 0.4%以后,增加膨潤土用量對煙草漿料的留著率具有負面作用。

圖4 微粒助留助濾體系對漿料助留性能的影響

圖 5所示為 0.1%的殼聚糖與膨潤土組成的微粒助留助濾體系對煙草漿料濾水性能的影響。從圖 5可以看出,添加少量的膨潤土就能明顯改善煙草漿料的濾水性能,當添加 0.2%的膨潤土時,煙草漿料 20 s內(nèi)的濾水量為 650 g,比只添加 0.1%的殼聚糖高 190 g,這是因為陰離子膨潤土與高剪切力破壞后的絮體形成尺寸更小、結(jié)構(gòu)更致密、強度更大、水分更低的微小絮聚體,從而在提高煙草漿料留著率的同時,也相對改善了成紙的濾水性能[9]。當膨潤土用量大于0.2%以后,增加膨潤土用量對煙草漿料的濾水量幾乎沒有影響。

圖5 微粒助留助濾體系對漿料濾水性能的影響

2.4 微粒助留助濾體系對煙草薄片物理性能的影響

圖 6所示為微粒助留助濾劑用量對煙草薄片抗張強度和濕抗張強度的影響。從圖 6可以看出,當膨潤土用量小于 0.4%時,煙草薄片的抗張指數(shù)略有增加,這主要是微粒體系對煙草薄片成形勻度改善的結(jié)果 (見圖7),但是當膨潤土用量大于 0.4%以后,隨著膨潤土用量的增加,煙草薄片抗張強度會下降很多,這主要是由于添加過多膨潤土會阻礙了纖維間氫鍵的結(jié)合。

另外,從圖 6中也可以看出,與抗張強度不同的是,添加膨潤土對煙草薄片的濕強度具有負面作用。添加少量的膨潤土就能使煙草薄片的濕抗張強度有較大幅度的下降,當添加 0.2%的膨潤土時,煙草薄片的濕抗張指數(shù)較只添加 0.1%的殼聚糖下降 12.9%。因為紙張的濕抗張強度主要是由成形時助劑與纖維之間形成的離子鍵和共價鍵所改善的,而添加膨潤土會阻礙殼聚糖的堿性基團—NH2與纖維中的羧基形成離子鍵合,或與纖維中存在的一些醛基形成少量共價鍵[7-8]。

圖6 微粒助留助濾劑用量對煙草薄片干濕強度的影響

2.5 單元助留與微粒助留體系對煙草薄片勻度指數(shù)的影響

圖 7、圖 8所示為殼聚糖單元體系與微粒助留助濾體系助劑用量對煙草薄片勻度指數(shù)的影響。從圖 7和圖 8可以看出,單獨使用殼聚糖時,隨著殼聚糖用量的增加,煙草薄片的勻度指數(shù)呈下降趨勢,因為添加過多的殼聚糖會使?jié){料形成的絮聚體較大,降低成形勻度;而殼聚糖與膨潤土組成的微粒助留助濾體系則能改善煙草薄片的成形勻度,這主要是由于陰離子膨潤土與高剪切力破壞后的絮體形成了尺寸更小、結(jié)構(gòu)更致密的絮體,從而改善了煙草薄片的成形勻度。當膨潤土用量為 0.4%時,微粒助留助濾體系的勻度指數(shù)較添加 0.1%的殼聚糖要高 3個單位。

3 結(jié) 論

3.1 添加過多的殼聚糖,雖然可以改善煙草漿料的助留助濾性能和煙草薄片的濕抗張強度,但是添加過多殼聚糖會影響煙草薄片的卷煙抽吸質(zhì)量,殼聚糖用量為 0.1%左右時較為合適。

3.2 利用殼聚糖與膨潤土組成微粒助留助濾體系能夠明顯改善煙草漿料的助留助濾性能。膨潤土適宜用量為 0.2%～0.4%之間時,煙草漿料的單程留著率和填料留著率較只用 0.1%的殼聚糖分別提高了 14%和 12%,20 s的濾水量增加 190 g。

3.3 殼聚糖 /膨潤土微粒助留助濾體系對煙草薄片的干濕抗張強度均具有負面作用,但降低幅度較小,不會影響到紙機的運行。

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(責任編輯：趙旸宇)

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：造紙助劑與濕部化學、制漿造紙清潔生產(chǎn)技術(shù)。

2010-12-15(修改稿)