Исследование применения гидроксипропилметилцеллюлозы в сухом клее для листьев табака

Реферат: Чтобы изучить ценность применения гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ) в табачных листах сухой укладки, она была протестирована с тремя распространенными клеями 【гуаровая камедь, конжаковая камедь и натриевая карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)】 Для сравнения, тест на вязкость водного раствора различных клеевых систем, испытание инфракрасного спектра с преобразованием Фурье пленки, низкотемпературный пиролизный анализ клея и соответствующей тонкой пленки при температуре 350 ℃ и испытание на прочность на разрыв соответствующей тонкой пленки. Результаты показывают, что: 1 мас.% водный раствор ГПМЦ 10 мин растворяется и может регулировать вязкость раствора покрытия во время обработки табачных листов; после смешивания ГПМЦ с тремя другими клеями возникают физические эффекты поперечного сшивания, такие как водородные связи, что улучшает продольную прочность на растяжение табачных листов сухой обработки, приготовленных с использованием соответствующих клеев. Интенсивность, все>0. 5 кН/м; 1 вес.% ГПМЦ, использованная при приготовлении продуктов пиролиза листового табака для сухой обработки, содержала низкие уровни токсичных и раздражающих веществ, которые составляли 1,83% и 5,31% соответственно. Табачный лист, полученный сухим способом, обладает лучшими комплексными свойствами и имеет более высокую практическую ценность.

Ключевые слова: гидроксипропилметилцеллюлоза; вязкость; тепловые свойства; табачный лист сухой кладки; продольная прочность на растяжение

В настоящее время мировая табачная промышленность вступила в эпоху инноваций. Сигареты Heat-not-Burn (HnB) обладают характеристиками несгорания при низкой температуре (около 350°C), удовлетворяющими сенсорные ощущения курильщиков, и низким содержанием вредных компонентов в дыме. Листовой табак сухой обработки – один из новых видов восстановленного табака. Для него характерно использование технологии формирования воздушного потока сухим способом. Он в основном состоит из субстратов, табачного порошка, клеев, курильщиков и специй. Изготовлено, высушено и каландрировано. Его продукт имеет рыхлую и пористую структуру, что приводит к дефекту низкой прочности на растяжение. Клей является важной частью процесса подготовки табачного листа сухой обработки, его функция заключается в соединении табачного порошка и других компонентов вместе и в определенной степени повышения прочности листа на растяжение.

Гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) обладает отличной растворимостью в воде, хорошими пленкообразующими свойствами, загущающими свойствами, адгезионными свойствами и водоудерживающими свойствами. Подготовленный пленочный материал обладает хорошей гибкостью и механическими свойствами, что позволяет продлить срок годности пищевых продуктов. Кроме того, по сравнению с однокомпонентным коллоидом, составной клей будет оказывать синергетический эффект, повышать механическую прочность продукта, а также улучшать качество перерабатываемых пищевых продуктов.

Чтобы изучить ценность применения ГПМЦ в табачных листах сухой обработки, в этом исследовании были выбраны три вида адгезивов, гуаровая камедь, коньяковая камедь и натриевая карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), и были подготовлены различные табачные листы сухой обработки для сравнения. с ГПМЦ. , специально исследовали правило изменения вязкости ГПМЦ в одиночной/комбинированной системе вода/глицерин/раствор пропиленгликоля и провели испытание на термический крекинг с помощью пиролизной газовой хроматографии-масс-спектрометрии (Py-GC/MS) и изучили изменение закон продольной прочности на растяжение призван дать новые идеи для клейкой части нового табачного листа.

1. Экспериментальная часть

1.1 Материалы

ГПМЦ, 28-30% метоксил, 7-12% гидроксипропил, KIMA CHEMICAL CO., LTD; пищевая гуаровая камедь, Henan Unisite Food Co., Ltd.; конжаковая камедь пищевого качества, Xinxin Biotechnology Co., Ltd.; КМЦ, дымный порошок (500 меш) и уложенная всухую листовая подложка были предоставлены China Tobacco Hubei Company; глицерин (глицерол), 99%, Anhui Zesheng Technology Co., Ltd.; 1,2-пропиленгликоль, 99%, SA En Chemical Technology Co., Ltd.; вода деионизированная, собственного приготовления.

1.2 Оборудование и инструменты

электронные весы BSA223S (чувствительность 0,001 г, Sartorius Scientific Instruments (Beijing) Co., Ltd.); цифровой вискозиметр NDJ-8S (Deka Precision Measuring Instrument (Shenzhen) Co., Ltd.); Инфракрасный Фурье-спектрометр IRPrestige-21 (FTIR, Shimadzu Corporation, Япония); взломщик EGA/PY-3030D (Frontier Corporation, Япония); газовая хроматография/масс-спектрометр pq2010 (ГХ/МС, Tsushima Corporation, Япония); Машина для испытания на растяжение SC-50N (компания Shensei).

1.3 Метод

1.3.1 Приготовление различных систем клеевых растворов и клеевых пленок

(1) Приготовление водного раствора однокомпонентного клея: Взвесьте 2,5 г ГПМЦ в контейнере, добавьте 250 г деионизированной воды, перемешайте до полного растворения исходных материалов клея и получите водный раствор однокомпонентного клея ГПМЦ. Тот же метод использовали для приготовления однокомпонентной гуаровой камеди, конжаковой камеди и водных растворов КМЦ.

(2) Приготовление водного раствора композитного клея ГПМЦ: Взвесьте 1,25 г гуаровой камеди и 1,25 г ГПМЦ в одном контейнере, добавьте 250 г деионизированной воды при 40 °C и перемешайте до полного растворения исходных материалов клея, чтобы получить ГПМЦ/водный раствор клея на основе соединения гуаровой камеди. Выполните те же действия, чтобы приготовить водный раствор клея ГПМЦ/конжаковая камедь и ГПМЦ/КМЦ, соответственно.

(3) Приготовление композитного клея из ГПМЦ, смешанного из водного раствора глицерина и 1,2-пропандиола: Взвесьте 1 г гуаровой камеди и 1 г ГПМЦ соответственно в 5 различных контейнерах, добавьте 200 г деионизированной воды при 40°C и перемешайте до получения клея. материалы растворяли с получением водного раствора композитного адгезива из ГПМЦ/гуаровой камеди. Добавьте к водному раствору глицерин и 1,2-пропандиол в массовом соотношении 40:0, 28:12, 20:20, 12:28 и 0:40 и перемешайте, пока смешанный раствор не будет равномерно перемешан с получением ГПМЦ/ гуаровый клеевой состав Клей Глицерин/1,2-пропандиол Водный раствор. Следуйте той же процедуре, чтобы приготовить ГПМЦ/конжаковую камедь и композитный клей ГПМЦ/КМЦ глицерин/водный раствор 1,2-пропандиола.

(4) Приготовление клейкой пленки: приготовить водный раствор клея по описанной выше методике, взвесить 50 г клеевого раствора в чашке Петри, поставить в печь при 80°С на 8 ч, вынуть из формы, и получить клейкую пленку.

1. 3. 2 Приготовление листового табака для сухой обработки

Приготовить 101 г водного раствора клея при массовом отношении клея к воде 1:100 в соответствии с вышеописанными этапами приготовления водного раствора клея; взвешивают 79 г дымного пороха, добавляют 150 г деионизированной воды и перемешивают до тех пор, пока в суспензии не останется дымного пороха, чтобы получить дымный порох. порошковая суспензия; добавить 12 г глицерина, 8 г 1,2-пропандиола и водный раствор клея к взвеси дымного пороха и механически перемешать до однородного перемешивания смеси с получением жидкости для покрытия; распылите жидкость для покрытия на положительную сторону подложки несколько раз. С другой стороны, подложки, используемые при подготовке образцов тонкой пленки с различными клеевыми составами, производятся одной и той же партией в соответствии со стандартом предприятия, а прочность на растяжение самой подложки постоянна, а затем высушиваются (распыляются один раз и сушат один раз, всего 4 раза) и, наконец, получают образцы листового высушенного табака.

1. 3. 3 Определение вязкости клеевого раствора

Используйте печь для стабилизации температуры раствора на уровне 30°C, выберите ротор вискозиметра и поверните ручку подъема.

Делайте ротор до тех пор, пока выгравированная линия на роторе не окажется на одном уровне с поверхностью жидкости, отрегулируйте уровень инструмента, установите параметры для тестирования, после того, как значение станет стабильным, значение угла открытия будет между 15% и 85%, а вязкость получают водный раствор клея при 30°С.

1.3.4 Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR)

Клейкая пленка полностью пропускает инфракрасное излучение, разрешение составляет 4 см-1, диапазон испытаний составляет 650-4000 см-1, а количество сканирований составляет 32 раза.

1. 3. 5 Испытание на пиролиз

Отвешивают 0,1 мг образца в крекер, начальная температура 50°С, нагревают до 350°С, скорость нагрева 10°С/мс, выдерживают 25 с. В качестве газа-носителя продукта крекинга был выбран гелий со скоростью потока 70 мл/мин, который затем был передан на анализ ГХ/МС. Использовали хроматографическую колонку HR-35MS (30 м × 250 мкм × 0,25 мкм). Диапазон сканирования масс-спектра 20~400 м/з, скорость сканирования 500 Да/с, поиск по спектральной библиотеке NIST-14.

1. 3. 6 Испытание табачного листа на прочность на растяжение

Метод испытания прочности на растяжение относится к стандарту GB/T 12914-2008 Определение прочности на растяжение бумаги и картона. Образец представляет собой прямоугольный образец длиной 200 мм и шириной 15 мм, скорость растяжения 20 мм/мин.

2. Результаты и обсуждение

2.1 Свойства растворения ГПМЦ и клея на его основе

Приготовьте каждый водный раствор клея в соответствии с вышеописанной операцией и растворите его, добавив воду в контейнер, содержащий клей, и наблюдайте за характеристиками растворения сырьевого порошка клея.

Можно видеть, что при одинаковых условиях растворения соединение ГПМЦ/конжаковая камедь равного объема и однокомпонентная конжаковая камедь имеют самое короткое время растворения, а равнообъемное соединение ГПМЦ/КМЦ и однокомпонентная КМЦ имеют самое продолжительное растворение. время. Это показывает, что полное время растворения составного клея в основном определяется компонентами с длительным временем растворения.

Такие факторы, как содержание, распределение и порошковые характеристики гидрофильных групп в молекулярной структуре полисахарида, будут существенно влиять на процесс его растворения. Диспергируемость порошка ГПМЦ и конжаковой камеди лучше, а гидрофильные группы в основном распределяются на поверхности каучукового порошка, и когда каучуковый порошок встречается с водой, он быстро поглощает воду и набухает, поэтому время растворения короче; Распределение гидрофильных групп на поверхности относительно невелико, поэтому в процессе растворения крайний слой труднодиспергируемой резиновой порошковой группы поглощает воду после контакта с водой.

Большое количество воды поглощается с образованием резинового блока с большим количеством резинового порошка внутри, что предотвращает попадание молекул воды внутрь резинового блока, что требует много времени для растворения. По сравнению с тремя другими клеями, ГПМЦ имеет преимущество в быстром растворении.

2.2 Сравнение вязкости водных растворов различных систем ГПМЦ

2. 2. 1 Сравнение вязкости ГПМЦ и других однокомпонентных клеев и водных растворов соединений

Из диаграмм вязкости однокомпонентных клеев и компаундированных клеевых растворов ГПМЦ массовое отношение клея к воде составляет 1 ∶ 100, соотношение компаундированного клея составляет 1 ∶ 1, а температура испытания составляет 30°С. От самых больших до самых маленьких, это гуаровая камедь, конжаковая камедь, ГПМЦ и КМЦ. Среди них значение вязкости водного раствора гуаровой камеди достигало 13218 мПа·с, тогда как значение вязкости водного раствора КМЦ составляло всего 1108 мПа·с; при том же содержании клея по сравнению с водным раствором однокомпонентного клея, гуаровой камеди и кониака. После смешивания клея и ГПМЦ вязкость смешанного водного раствора значительно снизилась по сравнению с вязкостью однокомпонентного водного раствора; и после смешивания КМЦ и ГПМЦ вязкость смешанного водного раствора немного увеличилась по сравнению с вязкостью однокомпонентного водного раствора.

Гидроксильная группа в основной цепи КМЦ относительно наименьшая, межмолекулярное взаимодействие мало, а вязкость водного раствора относительно минимальна; гидроксильная группа в молекулярной цепи ГПМЦ относительно больше, водородная связь между молекулами прочнее, а вязкость водного раствора умеренная; в то время как гуаровая камедь похожа на конжаковую камедь, длинная основная цепь содержит большое количество гидрофильных групп, а внутримолекулярные водородные связи и различные молекулярные цепи запутаны, что приводит к более высокой вязкости водного раствора; после смешивания ГПМЦ с гуаровой камедью, конжаковой камедью и КМЦ межмолекулярная сила изменяется, что приводит к изменению вязкости раствора соединения.

Добавление ГПМЦ изменило распределение других молекул клея в растворе и межмолекулярную силу, тем самым изменив вязкость водного раствора клея. Следовательно, ГПМЦ может играть роль в регулировании вязкости жидкости для покрытия во время обработки табачных листов.

2.2.2 Сравнение вязкости водного раствора глицерин/1,2-пропандиол, смешанного с ГПМЦ и другими клеями

Глицерин и 1,2-пропандиол являются основными распылителями табачных листов (дымными агентами), поэтому используйте вискозиметр для проверки вязкости ГПМЦ и водного раствора клея глицерин/1,2-пропандиол, смешанного с другими клеями. Вязкость водного раствора, где массовое отношение клея к воде составляет 1:100, а температура испытания составляет 30°С.

Можно видеть, что добавление глицерина или 1,2-пропандиола повлияет на вязкость водного раствора ГПМЦ и системы ее соединений. Среди них вязкость однокомпонентной ГПМЦ, ГПМЦ и конжаковой камеди, а также сложного водного раствора ГПМЦ и КМЦ не сильно изменилась после добавления глицерина и 1,2-пропиленгликоля; Вязкость составного клея гуаровой камеди и ГПМЦ немного снизилась, а добавление чистого 1,2-пропандиола значительно повысило вязкость.

И глицерин, и 1,2-пропандиол имеют гидроксильные группы на молекулах, которые будут образовывать водородные связи с некоторыми группами на молекуле клея, а добавление 1,2-пропандиола может привести к тому, что раствор соединения ГПМЦ/гуаровой камеди образует диспергированную структуру. локальная однофазная область вызывает резкое повышение вязкости клеевого раствора соединения.

Кроме того, гидроксильная плотность молекул глицерина больше, чем у 1,2-пропандиола, и межмолекулярные силы сильнее. Макроскопическое проявление заключается в том, что вязкость глицерина выше. После добавления только глицерина его собственная межмолекулярная сила была сильной, и не образовывалось новое межмолекулярное взаимодействие с молекулами ГПМЦ или молекулами гуаровой камеди. Наоборот, добавление глицерина разрушило первоначальную запутанность молекулярных цепей и водородную связь между двумя клеями, в результате чего длинные молекулярные цепи ГПМЦ и гуаровой камеди изменились из исходного перекрестно-запутанного состояния в растянутое состояние, что привело к снижению вязкость системы. .

Следовательно, после смешивания различных водных растворов клея и повторного добавления глицерина, 1,2-пропандиола или их смеси вязкость раствора изменится. Но влияние на разные составы также различно, что связано с совместимостью молекул каждого компонента в растворе смеси.

Вязкость жидкости для покрытия оказывает большое влияние на качество покрытия листьев восстановленного табака, и регулирование вязкости жидкости для покрытия соответствующими средствами может эффективно улучшить качество листьев восстановленного табака. Следовательно, изменение вязкости раствора покрытия путем добавления ГПМЦ, глицерина или 1,2-пропандиола может улучшить качество соответствующих приготовленных табачных листов.

2.3 Инфракрасный спектроскопический анализ ГПМЦ и ее тонких пленок

Инфракрасный анализ проводили на однокомпонентной пленке ГПМЦ и ее композитной пленке с тремя другими клеями. Удельный инфракрасный свет и характерный пик при 3741 см-1 соответствуют валентным колебаниям -ОН, а широкая полоса поглощения около 3392 см-1 соответствует валентным колебаниям кристаллической воды в пленке. Характерный пик при 2916 см-1 связан с колебаниями растяжения под переменным углом CH3, CH2 и CH. Характерный пик при 1648 см-1 обусловлен карбонилом в глюкозо-целлюлозном звене. Характерный пик в точке 1 представляет собой сдвиговое колебание C-O-C. На спектрограмме композитной пленки из ГПМЦ и КМЦ характерный пик при 1608 см-1 имеет явное синее смещение по сравнению с пленкой из ГПМЦ, что вызвано образованием водородной связи между ними. Кроме того, существует разница в пиковой интенсивности между спектром пленки составного клея и спектром ГПМЦ при 1041 см-1, что указывает на наличие определенной физической поперечной связи между ГПМЦ и тремя другими клеями.

Следовательно, ГПМЦ и три других клея обладают эффектами физического сшивания, такими как внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи и запутывание молекулярных цепей в композитной пленке. Водородное связывание и сшивание могут реконструировать сетчатую структуру молекул клея, улучшить механические свойства пленки и дополнительно улучшить механическую прочность соответствующего табачного листа.

2.4 Испытание на прочность при продольном растяжении и анализ сухих обработанных тонких ломтиков, приготовленных методом ГПМЦ

Табачные листы сухой укладки с различными адгезивными составами были приготовлены в соответствии с процессом подготовки листов табака сухой укладки. Водный раствор клея состоял из: клей: вода = 1 ∶ 100, соотношение каждого клея в составном клее составляло 1 ∶ 1, а вес листа контролировали на уровне 200 г. / м²

(±20), а прочность на растяжение подготовленного листа в продольном направлении испытывали на разрывной машине.

Из результатов видно, что после смешивания ГПМЦ с тремя другими клеями прочность на растяжение в продольном направлении соответствующего табачного листа сухой укладки в определенной степени улучшилась. После компаундирования с гуаровой камедью, конжаковой камедью и КМЦ, по сравнению с однокомпонентной ГПМЦ, прочность листа на растяжение увеличилась на 2%, 12% и 16% соответственно, а значение прочности > 0,5 кН/м. Это соответствует результатам инфракрасного анализа, указывающим на то, что после смешивания ГПМЦ с тремя другими клеями взаимодействие между клеями улучшает прочность на разрыв соответствующего табачного листа, подвергнутого сухой обработке.

2.5 Анализ продуктов термического крекинга ГПМЦ и его получение листового табака сухой обработки

Чтобы дополнительно изучить, можно ли применять ГПМЦ в листовом табаке сухой обработки, продукты пиролиза ГПМЦ при низкой температуре (350°C) количественно анализировали с помощью пиролизной газовой хроматографии-масс-спектрометрии (Py-GC/MS).

Согласно результатам анализа Py-GC/MS, в HPMC имеется 61 вид продуктов термического крекинга, что составляет 93,04% от общего количества продуктов крекинга, что соответствует приготовлению листового табака сухой обработки, имеется 143 вида продуктов термического крекинга. продукты крекинга, что составляет 90,33% от общего количества продуктов крекинга. 

Анализ показал, что продукты термического крекинга ГПМЦ при 350 °С включают кислоты, сложные эфиры, спирты, амины, кетоны, альдегиды и простые эфиры и др., что составляет 53,74 % от общего количества продуктов крекинга, из которых содержание альдегидов составляет самый высокий, достигая 16%. . 94%; Продукты пиролиза листового табака сухой обработки, приготовленного ГПМЦ при 350°С, включают кислоты, сложные эфиры, спирты, амины, кетоны, альдегиды, простые эфиры, алкены и углеводороды и др., что составляет 50,73% от общего количества продуктов пиролиза. %, среди которых наиболее высокое содержание алкенов, достигающее 14,83%.

Кроме того, были обобщены продукты термического крекинга из ароматообразующих веществ, раздражающих и токсичных веществ и их относительное содержание в ГПМЦ и соответствующих табачных листах сухой укладки. В продукте нет идентичных раздражающих веществ, содержание составляет 3,82% и 7,96% соответственно; одинаковых частей в ядовитых веществах нет, содержание составляет 5,31% и 1,83% соответственно. Поэтому относительное содержание продуктов пиролиза ГПМЦ в соответствующих продуктах пиролиза листового табака сухой обработки очень мало.