[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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、麦秆、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。

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。

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：

1)两性纤维素的正负电荷处于不同的链节上，如附图1a。目前，大多数的两性纤维素都属于这种结构。

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1b。目前，仅有极少数两性纤维素是属于这种内盐化合物结构。

甜菜碱型纤维素物质的制备方法有：

1)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。

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。

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℃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

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(1)：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℃；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∶1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；