一种应用甜菜碱型两性纤维素于造纸湿部增强纸张强度的方法
【专利摘要】一种应用甜菜碱型两性纤维素于造纸湿部增强纸张强度的方法，甜菜碱型两性纤维素是一种特殊的侧链含有严格配对的阴离子基团和阳例子基团的纤维素衍生物。首先合成甜菜碱型的两性功能单体3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐(DMAPAAS)，然后在DMAc/LiCl溶剂体系中，再与纤维素以硝酸铈铵(CAN)/四乙酸乙二胺二钠盐(EDTA)复合引发体系条件下发生均相反应，合成含磺酸甜菜碱侧基纤维素接枝共聚物；最后在纸张手抄片的实验中添加少量的甜菜碱型两性纤维素后，其纸张的耐破度，抗张强度，撕裂度均得到了一定的增强。当加入量为0.5％时纸张的抗撕裂指数提高10.3％，耐破指数提升10.7％，耐折度提升42.9％，裂断长增强15.5％。
【专利说明】一种应用甜菜碱型两性纤维素于造纸湿部增强纸张强度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种均相合成甜菜碱型两性纤维素并应用与造纸湿部用于增强纸张强度的方法，属于造纸领域。
【背景技术】
[0002]纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50%以上。据科学家估计，地球上每年通过生物合成纤维素达1000亿吨，消耗量与之大致相等或略多一些。纤维素是重要的造纸原料(每年消耗1.0亿吨)和纺织原料(每年消耗0.12亿吨)，此外，还被广泛作为塑料、炸药、电工及科研器材等方面的原料，还有很大一部分是作为燃料或者是建筑原木使用。棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40?50%，此外，麻、麦杆、稻甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。纤维素是一种多分散性的线性高分子聚合物，由D-吡喃型葡萄糖单元彼此以β-1，4-苷键连接而成的多糖。葡萄糖基上有三个自由存在的羟基，其中2，3位上是仲羟基，6位上伯羟基。虽然影响纤维素反应的因素很多，但是在多数情况下，伯羟基的反应能力要比仲羟基高，特别是在与大基团反应时，由于空间效应，伯羟基的反应能力要比仲羟基显得更高。由于纤维素大分子内大量羟基的存在，纤维素很容易形成很强的分子内及分子间氢键，因此纤维素的溶解和均相反应不是一个简单的问题。
[0003]随着不可替代能源如石油、煤炭等储量的下降，石油价格的攀升以及各国对环境要求的日益提高，纤维素作为可再生的绿色资源，在各个行业中的应用也越来越受到科研工作者的重视。
[0004]两性纤维素就是一种高附加值的纤维素衍生产品。它是一类水溶性的纤维素衍生物。与普通两性电解质类似，它具有特殊的溶液性质和流变性能，具有增稠、降阻、絮凝、悬浮等功能，另一方面还具有高分子多糖来源丰富，易生物降解等优点，可望在油田开采、环保、造纸、纺织、湍流减阻、医药、胶体保护等邻域获得重要应用。与阳离子纤维素、阴离子纤维素相比，两性纤维素具有更广的应用范围，其使用性能也优于其他两者。两性纤维素可以根据正负基团的分布分为两种:
[0005]I)两性纤维素的正负电荷处于不同的链节上，如附图la。目前，大多数的两性纤维素都属于这种结构。
[0006]2)两性纤维素的正负电荷处于同一链节上,一般称之为甜菜碱结构化合物,亦称之为内盐化合物，其结果如附图lb。目前，仅有极少数两性纤维素是属于这种内盐化合物结构。
[0007]甜菜碱型纤维素物质的制备方法有:
[0008]I)醚化法:BUrghard等人选用羟乙基纤维素与两性离子醚化剂3_氯_2_羟丙基二甲铵基乙酸盐反应制得甜菜碱型的两性纤维素。纤维素醚化剂是通过环氧氯丙烷与N，N- 二甲基甘氨酸在一定条件下反应得到的。不过这种方法中N，N- 二甲基甘氨酸价格昂贵，回收率较低。另外可能会有一些副产物，比如1，3-二氯-2-丙醇、双季铵盐等。未反应的环氧氯丙烷及1，3-二氯-2-丙醇很难从反应体系中去除掉。这些物质在制备羟乙基纤维素的过程中很有可能会使羟乙基纤维素产生交联。梁亚琴等用相同的原料在碱催化作用下干法制备两性纤维素，以二甲基烯丙基胺，氯乙酸钠和次氯酸为原料合成两性醚化剂。
[0009]2)接枝法:张黎明等以硝酸铈铵/乙二胺四乙酸为引发体系，引发羟乙基纤维素接枝甜菜碱单体N-甲基丙烯酰氧乙基-N，N-二甲胺基乙酸盐获得两性纤维素。陈丽琼等以硝酸铈铵/乙二胺四乙酸二钠盐为引发体系，引发羟乙基纤维素接枝共聚磺酸甜菜碱单体得到两性纤维素。
[0010]本专利中，我们采用丙烯酰胺丙基二甲基胺(DMAPAA)在丙酮溶液中与1，3_丙基磺内酯(PS)于55°C下反应生成两性功能单体3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐(DMAPAAS)。其反应方程式见附图2。然后在纤维素的DMAc/LiCl溶液中，在硝酸铈铵/四乙酸乙二胺二钠盐引发体系下，与上面合成的DMAPAAS单体进行反应，通过控制单体的浓度和溶液的PH来控制反应历程，最后得到甜菜碱型两性纤维素。其反应机理见附图3。最后还对其纸张增强效果进行了评估。
【发明内容】
[0011]1.一种应用甜菜碱型两性纤维素于造纸湿部增强纸张强度的方法，其特征在于包括下述步骤:
[0012]步骤(I):甜菜碱型两性单体采用丙烯酰胺丙基二甲基胺和1，3_丙基磺内酯为原料；
[0013]步骤(2):将丙烯酰胺丙基二甲基胺加入装有丙酮溶液的容器中，然后将1，3_丙基磺内酯的丙酮溶液在2-5小时内逐滴加入反应容器中，反应温度为40-70°C ;之后保持温度反应2-24小时；3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐以白色晶体析出，最后用大量体积比3: I的丙酮和乙醚的混合液反复冲洗以除去未反应原料；最后真空干燥得到甜菜碱型两性单体产物；
[0014]步骤(3):纤维素采用微晶纤维素或者漂白阔叶木浆为原料；
[0015]步骤(4):纤维素原料在17.5wt% NaOH溶液里在温度0°C条件下润涨1-5小时，用水和乙醇分别洗涤多次直到滤液pH中性；把润涨后的纤维素在25°C条件下，在二甲基乙酰胺里面继续润涨2-10小时；
[0016]步骤(5):配制8W/v%的氯化锂的二甲基乙酰胺溶液，然后把配制的溶液先加热到120-130°C，然后冷却到60-80°C，接着把步骤(4)处理过的纤维素在搅拌的条件下逐渐加入溶液里面，直到完全溶解，时间2-5小时，最后得到透明的均相纤维素溶液；
[0017]步骤￠):将步骤(5)得到的均相纤维素溶液在氮气氛和搅拌条件下加入引发剂硝酸铈铵/四乙酸乙二胺二钠盐溶液和一定量步骤(2)合成的甜菜碱型两性单体3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐，反应2-8小时后停止反应，用丙酮进行沉淀分离，干燥至恒重，得到甜菜碱型的两性纤维素产物；
[0018]步骤(7):漂白硫酸盐阔叶浆板疏解并打浆到约39° SR，处理后的纸浆用实验室的快速抄片机，利用湿法快速抄造成直径为200_的纸页并干燥，在抄造的过程中添加一定量的步骤(6)制备的甜菜碱型两性纤维素产物，得到纸张，并测试纸张性能；当添加少量的步骤(6)合成的甜菜碱型的两性纤维素产物后，纸张的强度就有明显的增加；当加入量为0.5 %时纸张的抗撕裂指数提高10.3%，耐破指数提升10.7%，耐折度提升42.9 %，裂断长增强15.5%。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]附图1:不同链节型(a)和甜菜碱型(b)结构的两性纤维素示意图。
[0020]附图2:菜碱型单体DMAPAAS的合成反应方程式
[0021]附图3:甜菜碱型单体DMAPAAS与纤维素的反应机理
[0022]附图4:DMAPAAU, 3-丙磺酸内酯和DMAPAAS的红外光谱图
[0023]附图5:甜菜碱两性纤维素与MCC红外光谱图
【具体实施方式】
[0024]具体参见附图1-5:
[0025]1.甜菜碱型两性纤维素的合成:
[0026]将0.1lmol的丙烯酰胺丙基二甲基胺加入50mL丙酮溶液中，再加入0.1%的阻聚剂对羟基苯甲醚；然后将0.1mol的1，3_丙基磺内酯和15mL丙酮溶液加入滴液漏斗中，在2-5小时内逐滴加入烧瓶中，反应温度为40-70°C ;之后保持温度反应2-24小时。3_(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐以白色晶体析出，最后用大量体积比3: I的丙酮和乙醚的混合液反复冲洗以除去未反应原料；最后在真空干燥箱内干燥得到产物。甜菜碱型两性单体3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐(DMAPAAS)以及反应原料丙烯酰胺丙基二甲基胺(DMAPAA)和I，3-丙基磺内酯的红外光谱图见附图4。
[0027]纤维素原料在17.5wt % NaOH溶液里在温度O V条件下润涨1_5小时，用水和乙醇洗涤分别洗涤多次直到滤液PH中性；把润涨后得到的纤维素在25°C条件下，继续在DMAc里面继续润涨2-10小时；配制8w/v%的LiCl/DMAc溶液，然后把配制的溶液先加热到120-130°C，然后冷却到60-80°C，然后经过活化的纤维素在搅拌条件下逐渐加入溶液里面，直到完全溶解，时间2-5小时，最后得到纤维素的均相溶液。
[0028]将均相纤维素溶液在氮气氛和搅拌条件下加入5X10_3mOl/L的引发剂硝酸铈铵/四乙酸乙二胺二钠盐溶液和0.1% (w/v)对羟基苯甲醚阻聚剂，然后加入前面合成的甜菜碱型两性单体3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐(DMAPAAS)，调节体系pH值，反应一定时间后停止反应，用丙酮进行沉淀分离，干燥至恒重量，得到甜菜碱型的两性纤维素产物。其红外光谱特征见附图5。
[0029]2.甜菜碱型两性纤维素的方法的在造纸湿部的应用，其特征在于包括下述步骤:
[0030]漂白硫酸盐阔叶浆板疏解并打浆到约39° SR，处理后的纸浆用实验室的快速抄片机抄成纸，利用湿法快速抄造成直径为200_的纸页并干燥，在抄造的过程中添加一定量的甜菜碱型两性纤维素产物，并最后测试纸张性能。
[0031]下面结合实施实例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0032]实施例1
[0033]将0.1lmol的丙烯酰胺丙基二甲基胺加入50mL丙酮溶液中，再加入0.1%的阻聚剂对羟基苯甲醚；然后将0.1mol的1，3_丙基磺内酯和15mL丙酮溶液加入滴液漏斗中，在2小时内逐滴加入烧瓶中，反应温度为40°C ;之后保持温度反应2小时。3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐以白色晶体析出，最后用大量体积比3: I的丙酮和乙醚的混合液反复冲洗以除去未反应原料；最后在55°C真空干燥得到产物。
[0034]纤维素原料在17.5wt% NaOH溶液里在温度(TC条件下润涨5小时，用水和乙醇洗涤分别洗涤多次直到滤液PH中性；把润涨后得到的纤维素在25°C条件下，在继续在DMAc里面继续润涨10小时；配制8?/ν%的LiCl/DMAc溶液，然后把配制的溶液先加热到130°C，然后冷却到80°C，然后称取经过活化的纤维素在搅拌条件下逐渐加入溶液里面，直到完全溶解，时间5小时，最后得到5wt%纤维素的均相溶液。
[0035]将均相纤维素溶液在氮气氛和搅拌条件下加入5X10_3mOl/L的引发剂硝酸铈铵/四乙酸乙二胺二钠盐溶液和0.1% (w/v)对羟基苯甲醚阻聚剂，然后加入相对于与绝干纤维素同等质量的前面合成的甜菜碱型两性单体3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐，调节体系PH值，反应一定时间后5小时后停止反应，用丙酮进行沉淀分离，干燥至恒质量，得甜菜碱型的两性纤维素产物，相对于纤维素的得率为1.3。改产品少量可溶于水。
[0036]在抄纸的手抄片实验中，添加相当于绝干浆0.5%的得到的产物，相对于空白样品，撕裂指数增加不明显，耐折度比空白样品提升5%，耐破指数提升5%，裂断长增加8%。
[0037]实施例2
[0038]将0.1lmol的丙烯酰胺丙基二甲基胺加入50mL丙酮溶液中，再加入0.1%的阻聚剂对羟基苯甲醚；然后将0.1mol的1，3_丙基磺内酯和15mL丙酮溶液加入滴液漏斗中，在5小时内逐滴加入烧瓶中，反应温度为70°C ;之后保持温度反应24小时。3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐以白色晶体析出，最后用大量体积比3: I的丙酮和乙醚的混合液反复冲洗以除去未反应原料；最后在55°C真空干燥箱内干燥得到产物。
[0039]纤维素原料在17.5wt% NaOH溶液里在温度(TC条件下润涨2小时，用水和乙醇洗涤分别洗涤多次直到滤液PH中性；把润涨后得到的纤维素在25°C条件下，在继续在DMAc里面继续润涨5小时；配制8?/ν%的LiCl/DMAc溶液，然后把配制的溶液先加热到120°C，然后冷却到70°C，然后称取经过活化的纤维素在搅拌条件下逐渐加入溶液里面，直到完全溶解，时间3小时，最后得到3wt%纤维素的均相溶液。
[0040]将均相纤维素溶液在氮气氛和搅拌条件下加入5X10_3mOl/L的引发剂硝酸铈铵/四乙酸乙二胺二钠盐溶液和0.1% (w/v)对羟基苯甲醚阻聚剂，然后加入相对于与绝干纤维素同等质量的前面合成的甜菜碱型两性单体3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐，反应一定时间后2小时后停止反应，用丙酮进行沉淀分离，干燥至恒质量，得甜菜碱型的两性纤维素产物，相对于纤维素的得率为1.5。改样品在水中的溶解度为68%
[0041]在抄纸的手抄片实验中，添加相当于绝干浆0.5%的得到的产物，相对于空白样品，撕裂指数增加不明显，耐折度比空白样品提升10%，耐破指数提升8%，裂断长增加10%。
[0042]实施例3
[0043]将0.1lmol的丙烯酰胺丙基二甲基胺加入50mL丙酮溶液中，再加入0.1%的阻聚剂对羟基苯甲醚；然后将0.1mol的1，3_丙基磺内酯和15mL丙酮溶液加入滴液漏斗中，在5小时内逐滴加入烧瓶中，反应温度为60°C ;之后保持温度反应8小时。3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐以白色晶体析出，最后用大量体积比3: I的丙酮和乙醚的混合液反复冲洗以除去未反应原料；最后在55°C真空干燥箱内干燥得到产物。
[0044]纤维素原料在17.5wt% NaOH溶液里在温度(TC条件下润涨I小时，用水和乙醇洗涤分别洗涤多次直到滤液PH中性；把润涨后得到的纤维素在25°C条件下，在继续在DMAc里面继续润涨2小时；配制8?/ν%的LiCl/DMAc溶液，然后把配制的溶液先加热到130°C，然后冷却到60°C，然后称取经过活化的纤维素在搅拌条件下逐渐加入溶液里面，直到完全溶解，时间6小时，最后得到lwt%纤维素的均相溶液。
[0045]将均相纤维素溶液在氮气氛和搅拌条件下加入5X10_3mOl/L的引发剂硝酸铈铵/四乙酸乙二胺二钠盐溶液和0.1% (w/v)对羟基苯甲醚阻聚剂，然后加入相对于与绝干纤维素同等质量的前面合成的甜菜碱型两性单体3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐，调节体系PH值，反应一定时间后8小时后停止反应，用丙酮进行沉淀分离，干燥至恒质量，得甜菜碱型的两性纤维素产物，相对于纤维素的得率为1.8。改样品在水中的溶解度为83%
[0046]相对于空白样品，加入量为0.5%时纸张的抗撕裂指数提高10.3%，耐破指数提升10.7%，耐折度提升42.9%，裂断长增强15.5%。
[0047]技术效果
[0048]本发明通过合成的甜菜碱型两性单体，在纤维素的均相LiCl/DMAc溶液中进行反应，从而制备得到了甜菜碱型的两性纤维素基高分子，该化学品不仅能够运用在造纸湿部的增强效果上，还有可能具有增稠、降阻、絮凝、悬浮等功能，另一方面还具有高分子多糖来源丰富，易生物降解等优点，可望在油田开采、造纸、纺织、医药、环保、湍流减阻、胶体保护等方面获得重要应用。
[0049]另外申明，【具体实施方式】中仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种应用甜菜碱型两性纤维素于造纸湿部增强纸张强度的方法，其特征在于包括下述步骤: 步骤(I):甜菜碱型两性单体采用丙烯酰胺丙基二甲基胺和1，3_丙基磺内酯为原料；步骤(2):将丙烯酰胺丙基二甲基胺加入装有丙酮溶液的容器中，然后将1，3_丙基磺内酯的丙酮溶液在2-5小时内逐滴加入反应容器中，反应温度为40-70°C ;之后保持温度反应2-24小时；3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐以白色晶体析出，最后用大量体积比3: I的丙酮和乙醚的混合液反复冲洗以除去未反应原料；最后真空干燥得到甜菜碱型两性单体产物； 步骤(3):纤维素采用微晶纤维素或者漂白阔叶木浆为原料； 步骤(4):纤维素原料在17.5wt% NaOH溶液里在温度0°C条件下润涨1_5小时，用水和乙醇分别洗涤多次直到滤液pH中性；把润涨后的纤维素在25°C条件下，在二甲基乙酰胺里面继续润涨2-10小时； 步骤(5):配制8W/v%的氯化锂的二甲基乙酰胺溶液，然后把配制的溶液先加热到120-130°C，然后冷却到60-80°C，接着把步骤(4)处理过的纤维素在搅拌的条件下逐渐加入溶液里面，直到完全溶解，时间2-5小时，最后得到透明的均相纤维素溶液； 步骤￠):将步骤(5)得到的均相纤维素溶液在氮气氛和搅拌条件下加入引发剂硝酸铈铵/四乙酸乙二胺二钠盐溶液和一定量步骤(2)合成的甜菜碱型两性单体3-(丙烯酰胺丙基二甲基胺)丙磺酸盐，反应2-8小时后停止反应，用丙酮进行沉淀分离，干燥至恒重，得到甜菜碱型的两性纤维素产物； 步骤(7):漂白硫酸盐阔叶浆板疏解并打浆到约39° SR，处理后的纸浆用实验室的快速抄片机，利用湿法快速抄造成直径为200_的纸页并干燥，在抄造的过程中添加一定量的步骤(6)制备的甜菜碱型两性纤维素产物，得到纸张，并测试纸张性能；当添加少量的步骤(6)合成的甜菜碱型的两性纤维素产物后，纸张的强度就有明显的增加；加入量为0.5%时纸张的抗撕裂指数提高10.3%，耐破指数提升10.7%，耐折度提升42.9 %，裂断长增强.15.5%。
【文档编号】D21H21/18GK104164805SQ201410309208
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】宋君龙 申请人:南京林业大学