两性结构多糖电解质在纤维表面的吸附行为及作用机制

Polampholytes used for papermaking can meet both the requirements of strength improvement for low low-quality fibers (non-wood fibers and secondary fibers) and closed white water system. Great interest has focused on amphoteric structural polysaccharides (ASP, i.e. amphoteric cellulose and amphoteric hemicelluloses) due to the favorable adsorption between its backbones and cellulose surface. To understand the mechanism of ASP in wet end applications, this project plans to employ a Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (QCM-D), with the aid of Surface Plasmon Resonance (SPR) to investigate the adsorption behaviors and adsorbed layer of ASP with different chemical structures ( backbone, chain length, charge group type, charge group ratio, charge density, net charge, and charge distribution, etc.), under different environments (pH, ion concentration) onto cellulose model films. For comparison, amphoteric derivatives of starch, chitosan and polyacrylamide will be investigated as well. This project will establish the relationship among chemical structures, molecular behaviors of ASP and its performance at wet end. This investigation can deepen our understanding of fundamentals of ASP and wet-end chemistry of papermaking, with great economic values and profound theoretical significance.

两性造纸助剂不仅能解决低质纤维（废纸纤维和非木纤维）的强度提升要求，而且还有利于造纸白水系统封闭循环，两性结构多糖（纤维素和半纤维素）由于其主链与纤维表面的特异吸附而在造纸湿部应用中有独特的优势。为了理解两性结构多糖在造纸湿部应用中的作用机理，本项目计划利用带有耗散因子的石英晶体微天平（QCM-D）结合表面等离子体共振仪（SPR）来研究具有不同化学结构（主链、链长、基团类型、基团比、电荷密度、静电荷、电荷分布等）的两性纤维素和半纤维素在不同的应用环境（pH，离子浓度）条件下与纤维表面的作用机制，研究其吸附行为（包括吸附动力学和吸附层结构），并与聚丙烯酰胺、淀粉和壳聚糖基的两性衍生物的吸附行为进行比较，从分子水平揭示两性结构多糖化学结构和最终造纸湿部应用性能之间的联系。本研究可以深化我们对两性结构多糖和造纸湿部化学的认识，有利于造纸业的健康、生态发展，具有巨大的经济价值和深远的理论意义。

两性造纸助剂不仅能解决低质纤维（废纸纤维和非木纤维）的强度提升要求，而且还有利于造纸白水系统封闭循环，两性结构多糖（纤维素和半纤维素）由于其主链与纤维表面的特异吸附而在造纸湿部应用中有独特的优势。项目执行过程中合成了不同取代度的阴、阳离子的纤维素、半纤维素样品，然后研究其取代度对吸附行为和性能的影响。在阳离子纤维素的吸附中，在研究范围内（取代度到0.51）取代度和性能正相关；而在阳离子木聚糖中，最佳性能和吸附都发生在很低的取代度（~0.05）的时候。通过对等温吸附曲线的热力学分析，我们得到了取代度与热力学参数（ΔG，ΔH，ΔS，和ΔCp）之间的联系。这为我们利用多糖衍生物提供了理论上的依据。在两性聚丙酰胺的研究中，不同分子量在二氧化硅芯片表面的吸附规律是一样的，但在造纸湿部应用中却发现其有最佳的分子量范围，在30万左右，这就揭示了纤维的孔结构对两性聚丙烯酰胺性能的影响。本研究从分子水平揭示两性结构多糖（以及对照的高分子如聚丙烯酰胺）化学结构和最终造纸湿部应用性能之间的联系。本研究可以深化我们对多糖结构(特别是离子取代度)和造纸湿部化学的关系认识，有助于合理的开发和利用各种多糖在造纸上的应用，这也有利于“双碳目标”的实现，具有巨大的生态效益、经济价值和深远的理论意义。本项目照计划顺利执行，完成了既定目标。