变性淀粉在造纸中的应用

变性淀粉在造纸工业中的应用1.前言众所周知,淀粉是一种来源丰富的可再生性资源,是植物光合作用的产物。天然淀粉及淀粉衍生物具有的特性使其在生命活动和工业生产中都有着广泛的用途。夭然淀粉具有许多性质上的不足之处如不溶于冷水、淀粉糊易老化脱水、被膜性差、缺乏乳化力、耐药性和耐机械性差等，而通过使用化学或物理方法处理天然淀粉后,能改善其部分物理特性使之符合某种特定工业用途的要求,这种处理过程称为淀粉的变性[1]。2.变性淀粉的定义通常所说的变性淀粉是指淀粉中羟基经受化学反应或糊精内部结构分配的改变而得到的产物。淀粉变性的主要产品有淀粉的各种分解产物如各种糊精、氧化淀粉等、交联淀粉、淀粉衍生物如淀粉脂、淀粉醚等[2]。3.变性淀粉的应用淀粉的分解产物糊精可用于医药工业作为胶囊的包衣,也用于抗生素发醇的营养源,还可在翻砂制模时用作粘结料在纺织印染中可以增稠染料在造纸中作涂层用等[3]。4.变性淀粉在造纸工业中的应用4.1造纸上常用的变性淀粉按离子特性分,在造纸上常用的变性淀粉有下列五类：阴离子淀粉、阳离子淀粉、两性及多元变性淀粉、非离子淀粉及其它变性淀粉[4]。按制作方法分为酸变性淀粉、氧化淀粉、交联淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉。酸变性淀粉虽基本保持了原淀粉的颗粒形状,但酸变性淀粉颗粒因酸的作用具有辐射形裂纹,受热沿裂纹裂解而不是膨胀,热糊粘度较低。可作为施胶剂和胶粘剂使用,提高纸张表面的光滑性和耐摩擦能力。氧化淀粉由于氧化剂对淀粉的漂白作用,色泽比原淀粉白,糊液稳定性高,凝沉性减弱,溶解性增加,糊化温度低,粘度低,成膜性好等特点。在造纸工业中,主要用作涂布粘合剂和表面施胶剂,也可与聚乙烯醇混和使用,提高纸张的表面强度利和张平滑度,提高纸张的适印性。但由于带有羰基和羧基呈弱阴性,且与纸浆中铝离子结合能力差,与纤维的结合力也差,在高档纸张的表面施胶中已逐步被阳离子淀粉及其它本身留着率高的淀粉所取代。氧化淀粉还可用作胶粘剂,应用于叠层纸、纸板裱糊和瓦楞纸的粘合。交联淀粉的糊粘度对热、酸、碱和剪切力的影响具有较高稳定性。其稳定性随交联化学键的不同而存在差别。在造纸工业中用作打浆施胶剂,瓦楞纸和纸箱纸的胶粘剂[5][6]。4.2变性淀粉在造纸工业中的应用变性淀粉是重要的造纸化学品，变性淀粉在造纸行业中的应用给造纸行业带来了明显的经济和社会效益。变性淀粉应用于造纸工业的主要作用如下：用于湿部添加、用于层间喷涂、用于纸张的表面施胶、用于涂布加工纸[7][8]。通过向湿部体系中添加变性淀粉，可以优化湿部化学，有效的控制湿部Zata电位。从而大致控制湿部化学组分的平衡，以达到提高纸机抄造性能和纸张的质量的目的。所谓喷雾淀粉,就是利用喷雾的方法,进行添加的淀粉.其应用机理是:当纸板在纸机湿部成形时,把淀粉颗粒分散在水中,形成一种悬浮浆状物,喷在纸板上,淀粉颗粒与纤维均匀的混合在一起,随后在烘缸处获得热量而凝胶化。这个喷雾系统的建立,可使淀粉在纸页的整个厚度上均匀分布,从而起到增强作用。纸张是由许多植物纤维形成,为使纸张具有光滑的表面,一定的强度,较好的书写和印刷性能,就要在生产过程中添加施胶剂,变性淀粉应用于表面施胶剂不仅提高了纸页的抗水性,还能提高耐破度、耐折度、抗张强度、平压强度、环压强度等强度指标。变性淀粉是涂布配方的重要组分，主要用作胶粘剂，它具有一系列的优点，具有良好的粘结特性，能使颜料颗粒相互粘结并粘附在纸张上；具有良好的保水性，能防止涂料在制作时出现脱水现象；能提高刮刀涂布时的流变性，有较宽的粘度范围，可满足大多数涂料的粘度要求；能够与许多合成乳胶具有良好的相容性，且能改善合成乳胶的性能等。用变性淀粉代替价格昂贵的干酪素、合成树脂等。可大大降低涂布加工的生产成本，并且可以提高纸张的适印性能，使印刷时不易掉毛、掉粉、断头和糊版，并能控制纸张油墨的吸收性、平滑性、光泽度、白度等[9][10]。4.3纸用变性淀粉的新发展所谓两性或多元变性技术是指在同一淀粉分子上既进行阴离子变性又进行阳离子及非离子变性的技术。美国、日本、英国等发达国家早在70年代就开发了作为助留、增强、助滤及涂布用的两性淀粉,其应用效果明显高于普通阴、阳离子淀粉,但吨售价一般要高出阳离子淀粉1000元左右。1990年,我们开发成功了适用于草、木浆增强的多元变性淀粉HC-3,近年来又相继开发成功YZ-151、YZ-152、YZ-128等系列多元变性淀粉。在合成工艺上也作了极大的改进,使制造成本较大幅度下降,已完全适应我国高草浆、废纸浆造纸的国情。1997年被国家科委列为“九五”攻关项目,目前我国许多大、中型纸厂正在使用,深受造纸行业的欢迎。4.4多元变性淀粉的应用原理(1)多元变性淀粉分子中的阴离子基团能对阳离子基团起保护作用,电性排斥纸浆体系中的活性“杂”阴离子干扰物质;反之多元变性淀粉分子中的阳离子基团也能对阴离子基团起保护作用,电性排斥纸浆体系中的活性“杂”阳离子干扰物质;这种阴、阳离子基团间的相互协调作用使得对含有阴、阳“杂”干扰离子物质较多的草浆、废纸浆及新闻纸浆等具有较明显的应用效果(相对普通的阴、阳离子变性淀粉)。而多元变性淀粉分子中的非离子取代基则往往起增效作用。(2)多元变性淀粉的电荷基本平衡,多加不会影响纸浆中的Zeta电位,使应用条件放宽了,从而方便了纸厂的应用。(3)多元变性淀粉的应用效果与应用特点随离子基团摩尔比及工艺条件的不同而不同,应根据不同应用目的选用不同商品牌号的产品[11][12]。4.5两性或多元变形淀粉在造纸中的特殊应用4.5.1助留助滤剂多元变性淀粉平衡了阴离子和阳离子集团，通常的阳离子淀粉与带阴离子的纤维、填料相遇吸附而形成絮凝结构，从而有助于细小纤维、填料的留着，改善滤水性，提高成纸的灰分及减少吨纸的浆耗、降低白水的浓度。但过度的絮凝会影响纸页的匀度，影响产品的质量。但两性淀粉中的阴离子既能通过铝离子与带负电荷的纤维和填料发生吸附，又能电性排斥体系中的杂阴离子而保护阳离子，同时对带阴离子的纤维和填料起分散作用，避免了过度絮凝现象[13]。4.5.2增强剂两性淀粉在许多特定条件下表现比阳离子淀粉更好的干部增强性能。增强效果主要表现为变性淀粉上的阳离子与纸纤维上的阴离子间的静电吸引。高取代度阳离子淀粉内部存在静电排斥，而两性淀粉不存在这种排斥，所以在较低电导率浆料中两性淀粉表现除比阳离子更好的增强性[14][15]。5.结束语经过十多年的努力,我国的变性淀粉从无到有,从小到大,从少到多已进入高速发展时期,纸用变性淀粉研究也已从普通型向适合我国造纸国情的专用型、增效型发展。我国造纸工业产量已居世界第三位,但变性淀粉的应用尚处于世界的低水平。化工部造纸化学品技术开发中心一直致力于纸用变性淀粉的研究工作,目前已成立专门的开发机构:纸用变性淀粉技术开发中心。相继承担了国家、部、省市近10个科研开发项目,已开发了30多个纸用变性淀粉产品。尤其是近年来,已逐步完成从普通型向专用型和增效型转变。在生产和应用技术研究方面已完成有关专著,近期将由轻工业出版社出版。同时,1998年初已在杭州化工研究所建成5000t/a特殊变性淀粉生产基地。目前正在杭州国家开发区下沙建设年产2万t变性淀粉专业厂。参考文献[1]刘春浦.淀粉和变性淀粉.商业部科技情报研究所,1985[2]尹平.变性淀粉及其应用.热带农业工程，2000，9～12[3]陈敬译.淀粉转化工艺.中国淀粉工业协会,1993[4]冀玲芳，谢来苏.造纸用变性淀粉.湖北造纸，2000，13～15[5]王淑梅，杨益毅.造纸工业中的变性淀粉.化工时刊，2005，19（12），57～60[6]张燕萍.变性淀粉制造与应用.北京:化学工业出版社,2001,79～183[7]安俊健.李新平.变性淀粉的发展及在造纸中的应用.西南造纸，2005，34(2),25～28[8]张友松,胡克详.我国变性淀粉生产现状及发展方向[J].精细与专用化学品,2003,18,3～5[9]邓丽萍，姚献平.造纸淀粉的几种典型应用技术.造纸化学品，1997，9（3），11～14[10]冷小梅，丁章钧.造纸化学品.江苏化工，2000，26（3），45～47[11]邓丽萍，姚献平.纸用变性淀粉的新发展.国际造纸，2000，18（24），4～6[12]侯汉学，董海洲，刘传富，汪健民.我国淀粉的应用现状及发展趋势.粮食宇饲料工业，2001，2：44～47[13]黄少斌，张居光，詹怀宇.两性或多元变性淀粉在造纸中的特殊应用.造纸科学与技术，2003，22（2）,10～13[14]陈夫山，谢来苏等.两性淀粉在中性抄纸中的应用.中国造纸学报，1999，14：78～81[15]姚超云.多元淀粉在造纸中的应用.造纸化学品，2003，2：21～24摘要通常所说的变性淀粉是指淀粉中羟基经受化学反应或糊精内部结构分配的改变而得到的产物。本文论述了造纸工业中常用的变性淀粉，以及其在造纸中工业中的应用，并介绍了纸用变性淀粉的新发展，两性或多元变性淀粉，两性或多元变性淀粉在造纸工业中有特殊的作用，助留助滤剂和增强剂。关键词变性淀粉造纸工业氧化淀粉交联淀粉