高分子成膜劑在酶轉(zhuǎn)化淀粉表面施膠中的應(yīng)用研究

李 洲

（廣東冠豪高新技術(shù)股份有限公司，湛江524072）

隨著經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展，對(duì)票據(jù)用紙的表面強(qiáng)度與印刷性能要求越來越高。為提高票據(jù)用紙的表面強(qiáng)度與印刷性能，表面施膠成為造紙企業(yè)的廣泛選擇。 相比漿內(nèi)施膠，表面施膠可以幾乎全部留在紙上，從而提高施膠劑的利用率，而且施膠效果明顯，成本低廉，可操作性強(qiáng)，能夠顯著改善紙頁(yè)的表面性能；此外，表面施膠方式還可以減少漿內(nèi)施膠劑用量， 降低漿內(nèi)施膠劑對(duì)機(jī)器的腐蝕性等不良影響，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。 因?yàn)楸砻媸┠z具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，因此越來越多地被應(yīng)用于提高紙張性能的生產(chǎn)實(shí)踐中[1-3]。

目前， 造紙行業(yè)常用的表面施膠劑主要有淀粉類、纖維素衍生物、動(dòng)物膠、聚乙稀醇、聚丙稀酰胺、合成膠乳等。 由于淀粉類施膠劑強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、無腐蝕、無污染，并且來源廣泛、價(jià)格低廉，因此成為目前使用最多的一類表面施膠劑[4]。

對(duì)于高濃度、低黏度特征的淀粉施膠液，因其有助于降低蒸發(fā)能耗、 減少施膠過程中由再潤(rùn)濕導(dǎo)致的斷頭次數(shù)，在造紙生產(chǎn)應(yīng)用中有實(shí)際的意義[5]。 酶轉(zhuǎn)化淀粉用于表面施膠具有膠液黏度低、流動(dòng)性好、透明度較高的優(yōu)點(diǎn)，其不但可以吸附在紙面上，還可以向紙內(nèi)滲透，提高纖維結(jié)合力，改善成紙的表面強(qiáng)度、外觀和印刷性能[6]。

李丹等[6]的研究結(jié)果表明，1 t 酶轉(zhuǎn)化淀粉的成本比商品表面施膠淀粉約低1000 元。 酶轉(zhuǎn)化淀粉的成本低于綜合漿價(jià)，施膠量越高，成本下降越多；施膠量提高后， 由于表面強(qiáng)度、 挺度等質(zhì)量指標(biāo)上升，可進(jìn)一步增加填料用量，提高灰份，從而提高成紙表面整飾性能，改善紙面平整性和細(xì)膩程度。齊云洹等[7]的研究結(jié)果表明，與使用氧化淀粉相比，酶轉(zhuǎn)化淀粉用于無碳復(fù)寫紙?jiān)埖谋砻媸┠z， 成紙的縱向挺度增加約30 mN·mm， 表面強(qiáng)度增加約0.1 m/s，噸紙成本可降低53.5 元。 李紹綏等[8]的研究結(jié)果表明，高濃度、低黏度的酶轉(zhuǎn)化淀粉液用于瓦楞原紙表面施膠，可使環(huán)壓指數(shù)提高97.9%～155%。

但是， 提高表面施膠淀粉膠液的固含量會(huì)帶來一些問題：（1）隨著淀粉液固含量提高，黏度相應(yīng)提高，施膠量也會(huì)難以控制；（2）為降低黏度，通常會(huì)加大淀粉酶用量， 導(dǎo)致淀粉成膜性變差， 成紙質(zhì)量變差；（3）固含量提高，淀粉膠液的滲透性變差，難以滲透進(jìn)入紙頁(yè)內(nèi)部，造成紙品質(zhì)量波動(dòng)。 因此，考慮在高固含量條件下，加大淀粉酶用量的同時(shí)，添加成膜劑，以提高表面施膠質(zhì)量。高分子成膜劑本身具有良好的自成膜性， 可以將短鏈淀粉鏈接形成穩(wěn)定空間立體結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)具有良好的流動(dòng)性、滲透性，從而保障淀粉液具有良好施膠效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

玉米原淀粉，廣東佛山某廠；淀粉酶，市售，最佳反應(yīng)條件80 ℃，pH=5～6；高分子成膜劑，廣東東莞某化工廠提供；未施膠原紙，公司自產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

DV-Ⅱ+Pro 型黏度計(jì)（美國(guó)Bookfield 公司）；Phenom Pro 型掃描電鏡（荷蘭Phenom-World 公司）；MX-50 型快速水分測(cè)定儀（美國(guó)A&D 公司）；HH-2型水浴鍋（常州澳華儀器有限公司）；500 series 型光密度儀（美國(guó)X-Rite 公司）；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）酶轉(zhuǎn)化淀粉制備：配制設(shè)定固含量的淀粉懸浮液，調(diào)節(jié)pH 值，迅速加入一定量的淀粉酶，后移入80 ℃水浴，反應(yīng)至設(shè)定時(shí)間后取出，于95 ℃下滅活，以中止酶解反應(yīng)。 所得產(chǎn)物為透明黏性液體，可直接用于表面施膠。

（2）黏度測(cè)定：使用黏度計(jì)測(cè)定酶轉(zhuǎn)化淀粉液黏度，測(cè)定溫度為50 ℃。

（3）原紙表面施膠：采用實(shí)驗(yàn)室制得的酶轉(zhuǎn)化淀粉為表面施膠劑，采用未施膠原紙手工涂布。

（4）成膜性檢測(cè)：采用掃描電鏡觀察紙面淀粉層成膜性。

（5）印刷性能檢測(cè)：采用噴墨打印機(jī)分別打印藍(lán)碼、黑碼，然后與標(biāo)準(zhǔn)打印碼的分級(jí)效果對(duì)比，評(píng)判打印等級(jí)。 采用光密度儀檢測(cè)打印色塊的黑度值。

（6）表面強(qiáng)度檢測(cè)：實(shí)驗(yàn)室采用簡(jiǎn)易方法檢測(cè)，采用3M 膠帶粘貼在經(jīng)表面施膠處理的紙表面。 輕壓，然后適度用力勻速將膠帶與紙面分離，觀察膠帶殘留的粉塵和紙毛情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶用量對(duì)淀粉液性能影響

淀粉液按照25%的固含量配制， 酶反應(yīng)時(shí)間固定為20 min。 高分子成膜劑用量按照0、5%、10%添加，淀粉酶用量分別按照0.01%、0.02%、0.03%、0.04%加入，按照1.2.2 節(jié)的方法制備酶轉(zhuǎn)化淀粉液，冷卻至50 ℃后檢測(cè)黏度，結(jié)果如圖1 所示。 成膜劑與淀粉酶用量均以相對(duì)于淀粉絕干質(zhì)量計(jì)。當(dāng)酶用量從0.01%增至0.02%時(shí)，淀粉液黏度快速下降，酶用量繼續(xù)增加到0.04%時(shí)，黏度下降速度變緩。相同酶用量條件下，隨著高分子成膜劑用量增大，淀粉液黏度也呈逐漸增大趨勢(shì)。 為保證淀粉液在高固含量條件下具有好的流動(dòng)性、成膜性和滲透性，綜合考慮，高分子成膜劑用量選定10%，淀粉酶用量選定0.04%。

圖1 不同高分子成膜劑用量下淀粉液黏度隨酶用量變化

2.2 酶反應(yīng)時(shí)間對(duì)淀粉液性能影響

淀粉液按照25%固含量配制，高分子成膜劑用量為10%，淀粉酶用量為0.04%。酶反應(yīng)時(shí)間分別按照10、20、30 和40 min 控制， 按照上述方法制備酶轉(zhuǎn)化淀粉液，冷卻至50 ℃后檢測(cè)黏度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 酶反應(yīng)時(shí)間對(duì)淀粉液黏度的影響

從圖2 可以看出：酶反應(yīng)時(shí)間從10 min 延長(zhǎng)到20 min 時(shí)，淀粉液黏度快速下降，繼續(xù)延長(zhǎng)酶反應(yīng)時(shí)間，淀粉液黏度下降趨勢(shì)變緩。 綜合考慮，選定酶反應(yīng)時(shí)間20 min 為宜。

2.3 高分子成膜劑對(duì)淀粉液施膠成膜性的影響

按照表1 中工藝條件分別配制所述酶轉(zhuǎn)化淀粉液，冷卻至50 ℃后檢測(cè)黏度。 經(jīng)表面施膠處理后制樣(施膠量按照8 g/m2控制)，采用掃描電鏡在800 倍放大條件下觀察紙面成膜情況，結(jié)果如圖3所示。

從圖3 的掃描電鏡圖像可以看出： 在未施膠原紙表面可以明顯觀察到纖維分布。 1#方案施膠處理后，紙面成膜性較差，不夠平滑。 2#方案施膠處理后，紙面光滑，成膜性較好，但是容易出現(xiàn)裂口。 3#施膠處理后，紙面光滑，成膜性好。 結(jié)果表明，在提高酶轉(zhuǎn)化淀粉固含量至25%前提下， 添加10%高分子成膜劑有利于提高淀粉成膜性，改善施膠質(zhì)量。由于3#方案中高分子成膜劑的存在， 有利于短鏈淀粉鏈接成為穩(wěn)定空間立體結(jié)構(gòu)，從而提高了淀粉層成膜性。

表1 不同淀粉液配制條件對(duì)淀粉液黏度影響

圖3 表面施膠處理后紙面掃描電鏡圖像

2.4 高分子成膜劑對(duì)淀粉液施膠后紙頁(yè)印刷性能和表面強(qiáng)度的影響

用2.3 節(jié)三個(gè)方案制得的酶轉(zhuǎn)化淀粉液分別對(duì)原紙表面施膠處理，施膠量按照2 g/m2控制。 按實(shí)驗(yàn)方法對(duì)紙樣進(jìn)行印刷和表面強(qiáng)度性能測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 不同淀粉液配制條件對(duì)淀粉液施膠印刷和表面強(qiáng)度影響

根據(jù)表2 檢測(cè)結(jié)果可以看出： 采用3#方案制得的酶轉(zhuǎn)化淀粉液施膠后，紙頁(yè)印刷性能較好。 相比2#方案，添加10%高分子成膜劑后，藍(lán)碼印刷性能有明顯提高，黑碼印刷效果與黑度值沒有明顯變化。 將酶轉(zhuǎn)化淀粉固含量由15%提高至25%時(shí)， 施膠后紙面表面強(qiáng)度明顯提高；添加高分子成膜劑后，經(jīng)施膠處理紙面表面強(qiáng)度進(jìn)一步提高。說明添加高分子成膜劑對(duì)淀粉成膜性有提升，有利于提高紙面表面強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)確定了高分子成膜劑在酶轉(zhuǎn)化淀粉表面施膠應(yīng)用中的優(yōu)化條件，即當(dāng)?shù)矸垡喊凑?5%固含量配制，酶反應(yīng)時(shí)間20 min，高分子成膜劑用量按照10%添加，淀粉酶用量0.04%時(shí)，淀粉液黏度較理想，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，淀粉液黏度變化不大；此時(shí)酶轉(zhuǎn)化淀粉的成膜性好，經(jīng)表面施膠處理后，紙面印刷性能和表面強(qiáng)度均有明顯提高。