Dịch hóa học phần ướt nộp

Độ bền khô là một tính chất cấu trúc của tờ giấy, thứ mà được bắt nguồn chính từ sự hình thành các liên kết giữa các xơ sợi giống như dạng mạng lưới xơ sợi và chất làm khô. Độ bền của một tờ giấy cụ thể phụ thuộc vào độ bền của từng xơ sợi, vào liên kết giữa các xơ sợi, vào số lượng xơ sợi và sự phân bố của các liên kết cũng của các xơ sợi. Phụ gia tăng bền khô nâng cao một hoặc nhiều các đặc tính nói trên, tuy nhiên chúng không làm thay đổi độ bền của từng xơ sợi. “Guar gum” là loại keo thực vật phổ biến nhất. Nó là polymer cacbonhydrat chứa glactoza và manoza như một khối xây dựng cấu trúc.

MỤC LỤC

1 Tầm quan trọng và ứng dụng của phụ gia tăng bền khô 2

2 Tinh bột phụ gia phần ướt 3

2.1 Nguyên liệu cho sản xuất tinh bột 3

2.2 Tổng hợp sinh học, tính chất vật lý và hóa học 4

2.3 Sự biến tính tinh bột và các phương pháp biến tính 6

2.4 Tinh bột cation 7

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của tinh bột trong phụ gia phần ướt 11

3.1 Đo hiệu quả của tinh bột phần ướt 11

3.1.1 Giấy 11

3.1.2 Huyền phù bột 12

3.2 Ảnh hưởng bởi tinh bột 13

3.2.1 Sự phân tán tinh bột 13

3.2.2 Độ cation 13

3.2.3 Dẫn xuất anion và lưỡng tính 14

3.3 Ảnh hưởng gây bởi huyền phù bột 15

3.3.1 Thế zeta và nhu cầu điện tích 15

3.3.2 Chất độn 16

3.3.3 Độ dẫn 17

3.3.4 pH 17

3.3.5 Tạp chất anion 17

3.3.6 Hệ thống bảo lưu 18

4 Keo thực vật 19

5 CMC phụ gia phần ướt 21

6 Phụ gia tăng bền khô tổng hợp 21

Phụ gia tăng bền khô

1 Tầm quan trọng và ứng dụng của phụ gia tăng bền khô

Độ bền khô là một tính chất cấu trúc của tờ giấy, thứ mà được bắt nguồn chính

từ sự hình thành các liên kết giữa các xơ sợi giống như dạng mạng lưới xơ sợi và chất làm khô Độ bền của một tờ giấy cụ thể phụ thuộc vào độ bền của từng xơ sợi, vào liên kết giữa các xơ sợi, vào số lượng xơ sợi và sự phân bố của các liên kết cũng của các xơ sợi Phụ gia tăng bền khô nâng cao một hoặc nhiều các đặc tính nói trên, tuy nhiên chúng không làm thay đổi độ bền của từng xơ sợi

Độ bền của mạng lưới xơ sợi có thể được tăng tính cơ học bởi việc nghiền và đánh tơi, trong trường hợp đó, một lượng lớn vi xơ đẩy mạnh việc hình thành liên kết giữa các xơ sợi Hàng loạt các lực khác nhau có tác động trong việc hình thành liên kết giữa xơ sợi Liên kết hydro là liên kết quan trọng nhất, mặc dù các lực khácnhư liên kết hóa trị, ion hay Van-der-waal cũng xuất hiện Mặc dù liên kết hydro yếu, đặc biệt trong nước, nhưng chúng lại làm tăng độ bền của tờ giấy một cách rõ ràng bởi số lượng lớn các liên kết Các liên kết này được hình thành trong những khoảng cách ngắn và liên kết bề mặt của chúng phải ở trong điểm tiếp xúc phân tử gần

Độ bền của giấy có thể được nâng cao bởi sự thay đổi thành phần xơ sợi, chẳng hạn như bởi sự tăng tỉ lệ bột hóa sợi dài, bởi sự giảm lượng độn hoặc là bởi sự thêmvào phụ gia tăng bền khô Các quá trình thay đổi có thể làm tăng cường độ bền, ví

dụ bởi sự cải thiện quá trình hình thành, tăng pH, thêm ép ướt

Tuy nhiên, quá trình nghiền và đánh tơi hầu như vẫn là cách phổ biến để tăng độbền Ngoài nhu cầu sử dụng năng lượng cao hơn, nghiền và đánh tơi cũng ảnh hưởng đến tính chất của tờ giấy Chúng làm tăng tỉ trọng của giấy, và làm giảm độ xốp, độ cứng, độ bền xé Độ sáng của giấy cũng bị giảm

Khi các tác động tiêu cực của đánh tơi và nghiền cần được hạn chế, phụ gia tăngbền khô là sự lựa chọn thiết thực Phụ gia tăng bền khô là các chất tan trong nước, các polymer ưa nước, có thể là từ tự nhiên hoặc là tổng hợp Một số sản phẩm thương mại nổi bật như:

- Tinh bột

Bảng 1: Thành phần hóa học trung bình của tinh bột từ một số loại nguyên liệu

Amiloza

- Keo thực vật

- Cacboxy metyl xenluloza

- Polyme tổng hợp

2 Tinh bột phụ gia phần ướt

2.1 Nguyên liệu cho sản xuất tinh bột

Mặc dù tinh bột có mặt ở tất cả các loại thực vật nhưng nó chỉ được tách chiết

một cách thương mại từ một số loại cây trồng Một số loại nổi bật như khoai tây,

ngô và lúa mì Ở Phần Lan, tinh bột được tách ra từ lúa mì còn ở châu Á là từ củ

sắn Một số chất dẫn xuất trong công nghiệp giấy được sản xuất từ sắn và ứng dụng

trồng ở Mỹ và chỉ chứa Amilopectin Tinh bột ngô sáp ổn định hơn so với các loại

ngô thông thường và nó đã được đem ra so sánh với tinh bột khoai tây Các loại

nguyên liệu có sự khác nhau về mức độ của từng thành phần (Bảng 1)

% Khoai tây Ngô Lúa mạch Lúa mì Sắn

Độ ẩm 70-85 7-23 13 10-13 60-75 Tinh bột 13-25 54-66 56-64 64-65 20-30 Protein 1-4 7-12 7-10 9-15 1 Chất béo 0.02-0.1 3-5 2-3 1-2 * Chất xơ 0.2-3 2-3 10-13 2-4 2 Chất khoáng 0.4-2 1-3 2 2 *

2.2 Tổng hợp sinh học, tính chất vật lý và hóa học

Tinh bột là nguồn tài nguyên thiên nhiên có thể tái tạo Nó được hình thành từ

CO2 và nước bởi quá trình tổng hợp sinh học dưới tác dụng của ánh sáng Để sản xuất một tấn tinh bột yêu cần cần 1.5 tấn CO2 và 0.6 tấn nước Quá trình này giải phóng 1.5 tấn O2 Tinh bột là một hydrocacbon có mặt ở tất cả thực vật Nó tập trung ở hạt, rễ và củ, nơi mà chức năng chính là duy trì chất dinh dưỡng cho quá trình sinh trưởng mới Tinh bột là một polymer glucoza, trong đó các đơn vị mắt xích liên kết với nhau bởi các liên kết α-D-1,4-glucozit Mạch glucoza có thể ở dạng thẳng (amiloza) hoặc mạch nhánh (amylopectin) Trong một trường hợp bình thường, amiloza chiếm tỉ lệ thấp, khoảng 20-25% Kích thước của các mạnh cũng khác nhau, phụ thuộc vào nơi mà tinh bột được tách chiết và tại điểm đó liên quan đến amiloza hay là amylopectin Chiều dài mạch amiloza ngắn hơn của

amylopectin

Tinh bột xuất hiện trong thực vật dưới dạng các hạt nhỏ (2-150μm), sau hiện tượng nghiền mô tế bào trong quá trình sản sinh tinh bột, được phân tách bởi quá trình sàng, và sau đó cô đặc rồi đưa qua nhiều công đoạn rửa Các hạt tinh bột có sựkhác nhau về kích cỡ, hình dạng giữa các loại thực vật, và có thể được phân biệt bởi kính hiển vi Các loại tinh bột thương mại còn chứa một lượng nhỏ thành phần khác có nguồn gốc từ cây trồng

Tính chất gia keo của tinh bột liên quan đến một số lượng lớn các nhóm –OH, nhóm có khả năng hình thành liên kết hydro Trong dung dịch nước, liên kết hydro được hình thành giữa các nhóm hydroxyl và các phân tử nước, trong trường hợp

đó, tinh bột liên kết với nước thông qua liên kết hydro Đây là một đặc tính quan

Hình 2: Đường cong Brabender của các loại tinh bột khác nhau

trọng, ví dụ như trong chuẩn bị chất phụ gia tráng phủ Phân tử nước bị bay hơi trong quá trình sấy, và liên kết hydro giữa tinh bột với xơ sợi hoặc với cấu tử khác được ứng dụng trong quá trình sản xuất giấy Tinh bột sau đó làm yếu tố tăng bền

Tinh bột không tan trong nước lạnh Khi hỗn

hợp tinh bột và nước được đun nóng, tinh bột bắt

đầu hòa tan và hồ hóa, tại một khoảng nhiệt độ nào đó, nó được nhận biết bởi sự tăng độ nhớt của dung dịch Độ nhớt tăng khi nhiệt độ tăng, cho đến khi mỗi mạch tinh bột bắt đầu phân tách khỏi nhau, tại thời điểm đó, sự giảm độ nhớt có thể được quan sát Khi dung dịch nguội đi, các mạch tinh bột bắt đầu tái hợp lại thông qua các liên kết hydro, và độ nhớt lại một lần nữa tăng lên Trong dung dịch loãng, tinh bột tái hợp này kết tủa xuống đáy, nhưng trong dung dịch đặc, chúng hình thành dạng keo không gian 3 chiều Hiện tượng này được gọi là sự thoái hóa Trạng thái

hồ hóa của tinh bột có thể được hiểu rõ hơn với biểu đồ độ nhớt Brabender, nó cho phép quan sát các biểu hiện của tinh bột trong suốt quá trình đun nóng và làm lạnh.Đường cong Brabender của tinh bột tách từ các nguồn khác nhau là khác nhau Đường trên thể hiện quá trình hồ hóa của các loại tinh bột khác nhau là tại nhiệt độ khác nhau, ví dụ như tinh bột từ khoai tây là khoảng 62-65oC, từ ngô khoảng 72-

75oC, và từ lúa mì khoảng 62-80oC

Bảng 4: Các phương pháp biến tính tinh bột khác nhau

Dung dịch tinh bột có hai tính chất:

- Độ nhớt: Giống như dung dịch polyme nói chung, độ nhớt của tinh bột phụ thuộc vào kích thước phân tử trung bình Ngoài ra nó cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, chất rắn, và lượng ion (pH, độ cứng, độ dẫn)

- Độ ổn định: Dung dịch tinh bột đậm đặc có khuynh hướng bị thoái hóa khi được làm lạnh, điều đó được quan sát bởi sự tăng độ nhớt, độ đục hoặc là sự đặc hơn của dung dịch Các sản phẩm thoái hóa phần lớn ở dạng mạch thẳng,

nó gắn kết với nhau dễ dàng thông qua liên kết hydro Khi tinh bột quay trở lại dạng tinh thể, tỉ lệ số mạch thẳng được nhân lên Độ bền tăng khi các nhánh và số mặt của mạch tăng

2.3 Sự biến tính tinh bột và các phương pháp biến tính

Sự biến tính tinh bột có thể được phân thành hai loại chính: biến tính hóa học vàbiến tính lưu biến Trong sự biến tính hóa học, các ion tự nhiên của tinh bột bị thay đổi, hoặc là độ ổn định tăng Các phản ứng thường làm tăng thêm số mạch, thêm sốđoạn thay thế vào mạch tinh bột Do tinh bột là một poly ancol nên các dẫn suất chủ yếu là ete và este Sự biến đổi lưu biến được hình thành khi một mức độ cao của chất rắn là cần thiết có trong dung dịch Các sản phẩm như tinh bột gia keo bề mặt và chất kết dính tráng phủ bề mặt được được tạo ra bằng cách này Trong một vài trường hợp, cả 2 sự biến tính đều được diễn ra, ví dụ như đối với tinh bột cationgia keo bề mặt

Tinh bột tự nhiên Biến tính hóa học

Ete hóa Cation hóaHydroxylalkyl hóa

Cacboxymetyl hóa

Photphat hóa

Tạo cầu nối không gian

Depolyme hóa(thay đổi tính lưu

biến)

Chuyển hóa EnzymNhiệt cơ

Nhiệt hóaOxy hóa Natri hypocloratHydro peoxit

Việc sản xuất các dẫn suất sử dụng trong bao gói cho công nghiệp thực phẩm phụ thuộc vào các quy định Các quy định chính bao gồm : Công bố của FDA ở Mĩ,BGW tại Đức và Warenwet, Hà Lan

Sau xơ sợi và độn, tinh bột là nguyên liệu quan trọng thứ 3 trong sản xuất giấy Tinh bột được sử dụng như phụ gia tăng bền khô cho giấy và thêm vào phần bột máy xeo, hoặc được dùng như chất gia keo bề mặt trong trường hợp dung dịch tinh bột được thêm vào bề mặt của tờ giấy khô Tinh bột cũng được sử dụng trong công nghiệp giấy như chất kết dính cho tráng phủ bề mặt, như chất keo bảo vệ trong keo AKD, ASA phân tán, và như thành phần chính trong định hình tinh bột

2.4 Tinh bột cation

Tinh bột là phụ gia tăng bền khô lâu đời nhất và vẫn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất giấy Sự bảo lưu của tinh bột tự nhiên anion đối với sợi anion trong các máy tốc độ cao ngày này là hạn chế Hệ quả là một nghiên cứu để tìm cách cải thiện sự bảo lưu đã được hoàn thành, cần thiết cho hiệu quả kinh tế và các lý do về môi trường Các loại tinh bột chứa Nitơ bậc 3 sớm được sử dụng như phụ gia phần ướt, thậm chí sớm hơn cả tinh bột tự nhiên tan trong nước lạnh, nhưng ứng dụng của chúng bị sụt giảm mạnh do đặc tính bảo lưu kém Một phép thử cũng được tiến hành để cải thiện bảo lưu của tinh bột bởi tinh bột được cation hóa tại nhà máy, nơi

mà các loại polime cation khác nhau được thêm vào tinh bột phần ướt trước hoặc sau khi nấu Nhìn chung, các phương pháp trên chỉ đạt được sự cải thiện yếu trong bảo lưu

Các loại tinh bột cation hiện thời là tinh bột ete được sản xuất tại pH cao và nhiệt độ bởi phản ứng ete hóa, sử dụng chất phản ứng epoxy có chứa nhóm amoni bậc 4 Phản ứng có thể được thực hiện trong dạng huyền phù hoặc bởi sự thêm vào tinh bột khô các chất phản ứng Độ cation được đặc trưng bởi tỉ lệ mol của các

nhóm thế (cation) và nhóm không thế, được thể hiện thông qua độ thế Tinh bột chứa nhóm amoni bậc 4 là chất cation có pH trong khoảng 4-9

Tinh bột cation phần ướt có thể được sản xuất từ một vài loại tinh bột tự nhiên, nhưng do một số lý do về khả năng hòa tan và kích thước phân tử, nó được sản xuấtchính từ tinh bột khoai tây, và ở Mĩ là từ tinh bột cây ngô sáp Do sự có mặt của nhóm photphat trong tinh bột khoai tây, tinh bột cation sản xuất từ loại này có bản chất hơi lưỡng tính

Tuy được chứng minh một cách khoa học rằng 2%-4% tinh bột cation bị hấp thụtrong sợi bột hóa tẩy trắng và 3%-4% trong canxi cacbonat kết tủa tùy theo độ thế, nhưng khả năng chạy máy đòi hỏi máy xeo cần một lượng chất phụ gia nhiều hơn

Thông thường, mức dùng tinh bột cation lên đến 0.2% - 2.5% so với chất rắnphần ướt Khi lượng này nhỏ hơn 1% và các yếu tố phân rã không thừa, sự hấp phụ của tinh bột gần đạt tới 100% Tinh bột cation bị hấp thụ một lần nữa cũng ở lại ngưng kết trong các cấu tử phần ướt Để hiểu rõ hơn về tinh bột phần ướt, dưới đây

là các giá trị đã biết về mức độ hấp phụ của tinh bột cation trong các thành phần khác nhau của bột giấy Bảng 4 chỉ ra sự phân bố của tinh bột khoai tây trong bột giấy có xơ sợi vụn

Cấu tử Thànhphần Cường Sự hấp phụ Mức dùng tinhbột, % DS

Theo những điều nói trên, trình tự thêm vào và địa điểm, liều lượng của cấu tử phần ướt và tinh bột là các yếu tố quan trọng để tìm ra hiệu quả cần đạt được cho

tinh bột cation Hiệu quả tăng bền tốt nhất thường đạt được khi tinh bột ở trên xơ

sợi dài Nó cũng được khuyến khích bởi sự thêm tinh bột vào chất độn, sự giảm độ bền cũng được loại bỏ bởi sự lắng chất độn mặc dù sẽ làm tăng độ đục Có thể thấy rằng, việc thêm chất trợ tăng bền khô vào phần ướt là cách hiệu quả hơn trong việc nâng cao độ bền so với lượng bên ngoài tại ép keo bề mặt Điều này được cho là dotinh bột được phân bố giữa các xơ sợi thay vì xung quanh chúng, vậy nên hiệu quả gia keo của phụ gia tăng bền khô bắt nguồn từ việc tăng bề mặt liên kết Có một số dấu hiệu chỉ ra rằng bề mặt liên kết đối với mỗi đơn vị se không tăng nhưng tinh bột làm tăng số lương liên kết trong bề mặt liên kết Độ bền khô của tờ giấy có thể được nâng cao bởi việc tăng độ bền liên kết cho đến khi một trạng thái đạt được màtại đó liên kết giữa các xơ sợi trở lên mạnh hơn so với bản thân xơ sợi

Bảng 4: Sự phân bố của tinh bột khoai tây (hàm lượng 1.3%) trong bột giấy xơ sợi vụn tại pH = 5

Hình 3: Hiệu quả thoát nước của tinh bột trong việc tách nước

Khi tinh bột cation được thêm vào một lượng nhỏ bột trước hòm đầu máy, nó đóng vai trò như chất trợ bảo lưu Cơ chế tương tự như đối với polyme cation mạchdài khác, chẳng hạn như poly acry amid Tinh bột cation có thể được sử dụng để hỗtrợ tác dụng của tác nhân trợ bảo lưu polymer- bảo đảm, tuy nhiên, ion tự nhiên của

hệ thống vẫn còn lại trong cân bằng (không chỉ cation)

Do điện tích của chúng, nên tinh

bột cation cũng cải thiện được tính

tách nước Điều này được quan sát

bởi sự đo việc tách nước được thực

hiện trong thiết bị SR, với một lượng

nhỏ tinh bột cation làm tăng thoát

nước Tinh bột có càng nhiều độ

cation, các sản phẩm càng cải thiện

được việc tách nước Tuy nhiên, vì

tinh bột ở trong trạng thái liên kết với

nước, sau đó, khi mức dung tăng lên,

khả năng tạo ra nước liên kết vượt hơn

hiệu quả cải thiện tách nước của chất

cation, và giai đoạn thoát nước bắt đầu tăng

Đặc trưng tách nước có thể được cải thiện thêm nữa bởi sự biến tính hơn nữa của tinh bột cation Một phương pháp đó là liên quan đến liên cầu nối không gian ngang của tinh bột cation

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của tinh bột trong phụ gia phần ướt

3.1 Đo hiệu quả của tinh bột phần ướt

Tinh bột ảnh hưởng đến độ bền của tờ giấy, đặc biết là theo chiều ngang Nếu như cấu trúc của tờ giấy được xem như là một mạng lưới xơ sợi mỏng, điều này là hợp lý Sự tăng số lượng các liên kết giúp xơ sợi gắn kết với nhau theo chiều z, tuy nhiên, nếu không có tinh bột, số lượng liên kết sẽ không đủ để ngăn việc xơ sợi trượt theo chiều xy Độ bền theo chiều z thường được đo bởi thiết bị Scott Bond, trong một vài trường hợp (chủ yếu với lớp tráng phủ) nó được đo bởi máy kiểm tra khả năng in ấn IGT – đo độ bền liên kết bề mặt Giá trị Scott Bond tăng tuyến tính khi lượng tinh bột tăng Với mức dùng nhỏ hơn 1%, giá trị Scott Bond có thể tăng gấp đôi Nếu có sự gián đoạn trong bảo lưu tinh bột, chúng ngay lập tức phản ánh giá trị độ bền theo chiều z Độ bền liên kết yếu là một vấn đề, đặc biệt là với phần lưới xeo của loại hòm phun lưới đôi, nơi mà sự phân bố không đều của xơ sợi vụn gây sự tách lớp của tờ giấy.

Độ chịu bục và độ bền nén đều tăng bởi sự ảnh hưởng của tinh bột, và chúng đặc biệt quan trọng đối với sản xuất giấy các tông và sợi các tông sóng, đặc trưng cho độ bền theo cả chiều z và mặt xy

Độ bề kéo của tờ giấy cũng tăng dưới tác dụng của tinh bột Sự thay đổi là không đáng kể, tuy nhiên, với một lượng nhỏ, sự gia tăng thậm chí bị mất đi trong

giới hạn của những biến động bình thường Tuy nhiên, việc cải thiện độ bền kéo là

trông thấy khi giảm lượng giấy rách và tăng độ bền tổng thể của toàn mạng lưới

Sự thiếu sót của liên kết giữa các xơ sợi được phản ánh thông qua bề mặt của tờ giấy Tăng mức dùng tinh bột có thể cải thiện đang kể vấn đề trên bởi vì tinh bột liên kết với xơ sợi và xơ sợi vụn so với bề mặt của tờ giấy

Tinh bột hình thành liên kết hóa học giữa các xơ sợi vì vậy nên hạn chế khả năng di chuyển giữa các xơ sợi với nhau Hệ của là độ cứng của giấy tăng

Hiệu quả sử dụng của tinh bột cũng được đo thông qua việc xác định lượng tinh bột liên kết với giấy Khi tinh bột hoạt động, một lượng tương đương hoặc gần tương đương của tinh bột được tìm thấy trong giấy như thêm vào lúc đầu Lượng tinh bột trong giấy được xác định bằng việc tách triết với axit HCl Tinh bột tách triết này được xác định bởi sự đổi màu của dung dịch iot và đo độ hấp thụ của dụngdịch với máy đo phổ Đường cong chuẩn với mỗi mức độ tinh bột được yêu cầu trong sự tính toán lượng tinh bột có trong giấy