本发明涉及造纸增强剂领域，具体涉及一种基于半纤维素的造纸增强剂及其制备方法与应用。
背景技术：
由于化石资源的逐步枯竭及环境问题的不断恶化。农林生物质具有环境友好、可生物降解、再生周期短等优点。利用农业废弃物制备具有高附加值化学品被视为解决环境及能源问题的有效途径之一。
木聚糖接枝聚丙烯酰胺，是木聚糖经化学改性后的衍生物，由木聚糖与丙烯酰胺高温接枝共聚制得，具备聚丙烯酰胺强的絮凝性，对溶液里的溶质有很强的絮凝效果，且聚丙烯酰胺存在酰胺基，可以与纤维素形成氢键，对浆料性能有效的提高，因此可以应用于造纸行业。该方法制备的木聚糖接枝聚丙烯酰胺具有环境友好性，对环境污染小。
近年来，生物质的深加工受到了许多科学工作者的关注，其中生物质的接枝共聚改性方法尤为引人注目。生物质接枝共聚包括，纤维素的接枝共聚、半纤维素的接枝共聚、壳聚糖的接枝共聚等等。接枝共聚改性后的生物质具有接枝单体的良好特性，使生物质的应用范围更广泛，成为国内外研究的热点。利用木聚糖接枝丙烯酰胺代替传统的造纸增强剂大大降低了生产成本，环境污染等缺点，具有技术和经济上的可行性。
技术实现要素：
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种基于半纤维素的造纸增强剂及其制备方法与应用。该木聚糖接枝聚丙烯酰胺兼具木聚糖和聚丙烯酰胺性能，价格较低廉、絮凝性好，有效提高废纸浆的纸张性能。本发明的制备方法具有工艺易操作，环境友好性。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于半纤维素的造纸增强剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)木聚糖接枝共聚反应：称取木聚糖粉末溶于超纯水中，水浴中加热溶解，通氮气排掉空气，加入引发剂引发，再加入丙烯酰胺得反应液，反应完后产物冷却至室温，洗涤，在真空干燥箱中干燥，获得粗产品；
(2)精产品的制备：将步骤(1)所得粗产品放到乙酸与乙二醇混合液中浸泡，再放到真空干燥箱中干燥，得精产品即基于半纤维素的造纸增强剂。
优选的，步骤(1)所述水浴的温度为40℃～80℃。
优选的，步骤(1)所述引发剂为引发剂为过硫酸钾，引发剂与木聚糖质量比1:(2～13)；所述引发的时间为10min。进一步优选的，所述引发剂的用量为0.0003～0.0017mol。
优选的，步骤(1)所述木聚糖粉末与丙烯酰胺的质量比为1：(1～4)。
进一步优选的，步骤(1)所述木聚糖粉末的质量为1g。
优选的，丙烯酰胺在步骤(1)所得反应液中的浓度为0.176mol/L～1.057mol/L；进一步优选的，丙烯酰胺的浓度为0.354mol/L。
优选的，步骤(1)中木聚糖与丙烯酰胺反应的温度为40℃～80℃，时间为2h～6h；进一步优选的，反应的温度为60℃，反应的时间为4h。。
优选的，步骤(1)所述木聚糖改性制备木聚糖接枝聚丙烯酰胺的具体作为：将木聚糖加入温度为60℃的热水中，搅拌溶解30min，然后加入引发剂过硫酸钾，10min后加入一定量丙烯酰胺，在60℃反应2h～6h，其中木聚糖：丙烯酰胺质量比为1：(1～4)。
优选的，步骤(2)所述乙酸与乙二醇混合液中乙酸与乙二醇的体积比例为4:6～8:2。
优选的，步骤(2)所述浸泡的次数为3～5次，每次浸泡的时间为2～3h。
优选的，步骤(1)、步骤(2)所述干燥为在40℃～80℃干燥12～24h。
本发明还提供由以上所述的制备方法制得的一种基于半纤维素的造纸增强剂。该基于半纤维素的造纸增强剂能应用于造纸工业中。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明制备的木聚糖接枝聚丙烯酰胺，具有聚丙烯酰胺的特性，同时还具有木聚糖的性能，可作为造纸增强剂应用于造纸工业。
(2)本发明制备的木聚糖接枝聚丙烯酰胺的过程中，反应条件温和，操作易控，易于实现工业化。
附图说明
图1为实施例1中木聚糖及木聚糖接枝聚丙烯酰胺的红外图谱。
具体实施方式
以下结合实施对本发明作进一步解释说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)称取1g的木聚糖粉末溶于超纯水中，60℃水浴中加热溶解，通氮气排掉空气，加入0.0003mol引发剂过硫酸钾,10min后加入1g的丙烯酰胺单体，在60℃反应2h。
(2)将步骤(1)的反应产物冷却至室温，用丙酮洗涤、过滤3次，将过滤的产品在通风橱放置3h后，放到真空干燥箱中，在40℃下干燥12h，得到粗产品。
(3)将步骤(2)干燥的粗产品放到乙酸与乙二醇混合液(乙酸与乙二醇的体积比为4:6)中浸泡3次，每次2h，通风橱放置3h后，放到真空干燥箱中，在60℃下干燥24h，得到精产品即木聚糖接枝聚丙烯酰胺。
得到的产物接枝率为27.02％，将0.054g质量分数为1％的木聚糖接枝丙烯酰胺加到浆浓为0.5wt％废新闻纸浆,经抄片实验和在恒温恒湿室放置24h后，经纸张性能测试得，原纸浆强度如下：耐破指数为1.5Kpa·m2/g，撕裂指数为6.02mN·m2/g，抗张强度为1.21kN/m。相对原纸浆的强度其抗张强度提高了26.4％，撕裂指数提高了30.2％，耐破度提高20.3％，耐折度次数提高比较明显。对纸浆性能有一个明显的提高，在造纸工业应用中具有很大前景。
实施例2
(1)称取1g的木聚糖粉末溶于超纯水中，60℃水浴中加热溶解，通氮气排掉空气，加入0.001mol引发剂过硫酸钾,10min后加入2g的丙烯酰胺单体，在70℃反应4h。
(2)将步骤(1)的反应产物冷却至室温，用丙酮洗涤、过滤3次，将过滤的产品在通风橱放置3h后，放到真空干燥箱中，在60℃下干燥24h，得到粗产品。
(3)将步骤(2)干燥的粗产品放到乙酸与乙二醇混合液(乙酸与乙二醇的体积比为6:4)中浸泡4次，每次2.5h,在通风橱放置3h后，放到真空干燥箱中，在60℃下干燥24h，得到精产品即木聚糖接枝聚丙烯酰胺。
得到的产物接枝率为84.96％，将0.054g质量分数为1％的木聚糖接枝丙烯酰胺加到浆浓为0.5wt％废新闻纸浆,经抄片实验和在恒温恒湿室放置24h后，经纸张性能测试得，原纸浆强度如下：耐破指数为1.5Kpa·m2/g，撕裂指数为6.02mN·m2/g，抗张强度为1.21kN/m。相对原纸浆的强度其抗张强度提高了27.3％，撕裂指数提高了49.2％，耐破度提高24.5％，耐折度次数提高比较明显。对纸浆性能有一个明显的提高，在造纸工业应用中具有很大前景。
实施例3
(1)称取1g的木聚糖粉末溶于超纯水中，60℃水浴中加热溶解，通氮气排掉空气，加入0.0017mol引发剂过硫酸钾,10min后加入4g的丙烯酰胺单体，在80℃反应6h。
(2)将步骤(1)的反应产物冷却至室温，用丙酮洗涤、过滤3次，将过滤的产品在通风橱放置3h后，放到真空干燥箱中，在60℃下干燥24h，得到粗产品。
(3)将步骤(2)干燥的粗产品放到乙酸与乙二醇混合液(乙酸与乙二醇的体积比为8:2)中浸泡5次,每次3h,在通风橱放置3h后，放到真空干燥箱中，在60℃下干燥24h，得到精产品即木聚糖接枝聚丙烯酰胺。
得到的产物接枝率为35.44％，将0.054g质量分数为1％的木聚糖接枝丙烯酰胺加到浆浓为0.5wt％废新闻纸浆,经抄片实验和在恒温恒湿室放置24h后，经纸张性能测试得，原纸浆强度如下：耐破指数为1.5Kpa·m2/g，撕裂指数为6.02mN·m2/g，抗张强度为1.21kN/m。相对原纸浆的强度其抗张强度提高了31.4％，撕裂指数提高了24.9％，耐破度提高23.3％，耐折度次数提高比较明显。对纸浆性能有一个明显的提高，在造纸工业应用中具有很大前景。
从图1可见，实施例1的木聚糖和木聚糖接枝聚丙烯酰胺均有官能团O－H的伸缩振动在3600～3200cm-1出现一个宽峰；C－H的伸缩振动在3000～2800cm-1出现一个宽峰；碳水化合物C＝O的伸缩振动在1665～1600cm-1出现一个宽峰；C－O的伸缩振动在1200～1000cm-1出现2个宽峰。对比木聚糖的红外光谱图，木聚糖接枝聚丙烯酰胺的红外光谱图，3600～3200cm-1的吸收峰比较明显，这是－OH和－NH2的伸缩振动的吸收峰的相互叠加而产生的，－NH2的伸缩振动的吸收峰，可由于强宽的羟基吸收峰相叠加，只能看到一肩峰。在1100～1300cm-1出现了C－N的吸收峰，这些都是聚丙烯酰胺应有的吸收峰，其它实施例中木聚糖及木聚糖接枝聚丙烯酰胺的红外图谱与图1一致，说明本发明制备的木聚糖接枝聚丙烯酰胺，具有聚丙烯酰胺的特性，同时还具有木聚糖的性能，可作为造纸增强剂应用于造纸工业。
木聚糖及木聚糖接枝聚丙烯酰胺的元素分析如表1所示。
表1
从表1看出，木聚糖接枝共聚物的N的质量分数增加明显，可以得到接枝共聚物增加了N的官能团的结论，即接枝共聚物里接上了PAM。且随着接枝率增大，N的含量继续增加。接枝共聚物含S是引发剂没有完全清除干净。