陳盈潔，劉祝蘭，曹云峰*，皮成忠，蘇 晨（南京林業(yè)大學 江蘇省制漿造紙科學與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210037）

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淀粉糊化溫度對紙張物理性能的影響

陳盈潔，劉祝蘭，曹云峰*，皮成忠，蘇 晨
（南京林業(yè)大學 江蘇省制漿造紙科學與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210037）

摘 要：利用顯微鏡和旋轉(zhuǎn)式粘度儀，研究陽離子淀粉糊化過程中淀粉顆粒形態(tài)和溶液粘度的變化規(guī)律，并將不同溫度下糊化的淀粉溶液按不同的比例加入紙漿中抄紙，從而探明不同糊化溫度的淀粉溶液對紙張物理性能的影響。結(jié)果顯示：陽離子淀粉NC-1、NC-2和NC-3的最佳糊化溫度分別為90℃、80℃和75℃，糊化溫度并隨陽離子取代度的提高而下降，且在最佳糊化溫度下的淀粉溶液對紙張增強效果最顯著。

關(guān)鍵詞：陽離子淀粉；糊化溫度；紙張；物理性能

淀粉作為一種現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的化工原料，具有價廉、易得、可再生、符合環(huán)境保護等突出的特點，因而在造紙行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-2]。淀粉是一種多羥基化合物，淀粉分子之間通過氫鍵連接緊密排列，加入冷水時，淀粉顆粒并不溶于水，且淀粉分子的形態(tài)始終未發(fā)生變化，從而限制了淀粉在抄紙過程中的應(yīng)用。因此，在使用淀粉之前必須對其進行處理[3]，而淀粉糊化作為一種較為簡便的方法，且對淀粉本身的性能影響甚微[4-6]，在抄紙過程中被廣泛應(yīng)用。

淀粉作為造紙濕部添加劑，主要表現(xiàn)為增強紙張的物理性能[7-10]，但國內(nèi)許多造紙企業(yè)在使用淀粉過程中直接將其糊化至指定溫度，沒有根據(jù)不同淀粉的屬性進行糊化溫度和工藝的變化，從而沒有充分發(fā)揮淀粉在造紙中的作用[11-13]。而淀粉在糊化過程中伴隨著顆粒形態(tài)變化和粘度變化，此現(xiàn)象可通過觀察淀粉顆粒形態(tài)變化和測定淀粉溶液的粘度值相結(jié)合的方法確定淀粉的糊化特性[14-16]。此外，隨著糊化溫度的升高，淀粉溶液的狀態(tài)不同，與紙漿纖維的結(jié)合情況也不同，從而影響紙張強度。因此，本研究通過監(jiān)測淀粉糊化過程中的顆粒形態(tài)和溶液粘度的變化規(guī)律，確定不同淀粉糊化的最佳溫度，以及在不同溫度下糊化的淀粉溶液對紙張物理性能的影響。

1 實驗

1.1 原料與設(shè)備

季銨型木薯陽離子淀粉NC-1（取代度為0.032）、NC-2（取代度為0.039）和NC-3（取代度為0.045）由南京林業(yè)大學制漿造紙研究所合成；漂白桉木漿，工業(yè)級，印尼產(chǎn)；陽離子聚丙烯酰胺（CPAM-1），化學純，上海通用淀粉公司。

槽式打漿機，肖伯氏打漿度儀，恒溫水浴鍋HH-2，電動攪拌機，體式顯微鏡MD50，超級恒溫水浴鍋2004-21（501），旋轉(zhuǎn)式粘度計NDJ-79，Zeta電位測定儀，纖維疏解機，快速抄片機，動態(tài)濾水儀，分析天平，紙張厚度計，抗張強度儀，紙張耐破度儀和撕裂度儀。

1.2 漿料的準備

實驗采用漂白桉木漿，配制打漿濃度為2%于槽式打漿機中打漿，待打漿度為36oSR時停止打漿，脫水分散均勻后置于密封袋中平衡水分24 h，測定漿料水分。

1.3 淀粉的糊化

將三種不同取代度的陽離子淀粉分別配制成2%濃度的淀粉懸浮液，恒溫水浴加熱升溫糊化，糊化過程中使用電動攪拌機持續(xù)攪拌。

1.4 淀粉的粘度及形態(tài)觀測

分別選取溫度點30、40、50、55、60、65、70、75、80、85、90和95℃，吸取一定量各溫度點下的淀粉溶液，利用旋轉(zhuǎn)式粘度計測定其粘度，同時吸取一定量該溫度點下的淀粉溶液并加入標準碘溶液，待完全顯色后置于體式顯微鏡下放大80倍觀測其顆粒形態(tài)。

1.5 抄紙

稱取一定量漂白桉木漿及所需添加劑，混合物經(jīng)電動攪拌機攪拌均勻后在實驗室快速抄片機上抄制定量為80 g/m2紙張，干燥后將其置于濕度50%、溫度23℃的恒溫恒濕物檢室內(nèi)平衡24 h后檢測紙張物理性能。淀粉及其它添加劑的用量占漿料中總固形物的質(zhì)量分數(shù)見表1。淀粉溶液的糊化溫度是以其最佳糊化溫度點為中心選取的五個溫度點。

表1 淀粉及其它添加劑的用量

1.6 紙性測試

定量、厚度、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、抗張指數(shù)分別按照GB/T451.2-1989、T411om-89、T414om-98、T403om-97、T494om-96標準進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉顆粒形態(tài)變化

2.1.1 陽離子淀粉NC-1顆粒形態(tài)變化

陽離子淀粉NC-1顆粒形態(tài)變化如圖1所示。

圖1 陽離子淀粉NC-1顆粒形態(tài)變化

2.1.2 陽離子淀粉NC-2顆粒形態(tài)變化

陽離子淀粉NC-2顆粒形態(tài)變化如圖2所示。

圖2 陽離子淀粉NC-2顆粒形態(tài)變化

2.1.3 陽離子淀粉NC-3顆粒形態(tài)變化

陽離子淀粉NC-3顆粒形態(tài)變化如圖3所示。

圖3 陽離子淀粉NC-3顆粒形態(tài)變化

由圖1～3可知，淀粉在水中的溶解度隨著溫度的升高逐漸增大，最后溶于水形成均一溶液。淀粉顆粒由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)組成，在糊化過程中，淀粉顆粒受熱膨脹，水分子進入淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)，淀粉的晶體結(jié)構(gòu)被破壞，淀粉分子間氫鍵結(jié)合力減弱，開始與水分子形成氫鍵結(jié)合，從而溶于水形成均一溶液[17]。

由圖1可知，陽離子淀粉NC-1在淀粉糊化初期，淀粉顆粒不溶于水，呈圓球狀，在55℃以前，淀粉顆粒變化不大，60℃時，淀粉顆粒開始膨脹，較之前的顆粒大，直到75℃，淀粉顆粒完全膨脹，從80℃開始，淀粉顆粒形態(tài)被破壞，在顯微鏡下呈云彩狀，繼續(xù)升高溫度對溶液狀態(tài)幾乎無影響。因此，陽離子淀粉NC-1糊化的較適宜的溫度為80℃。

由圖2可知，陽離子淀粉NC-2在50℃以前，淀粉顆粒變化不大，55℃時，淀粉顆粒開始膨脹，在75℃時，溶液中的顆粒幾乎完全膨脹；從80℃開始，淀粉顆粒形態(tài)被破壞，在顯微鏡下呈云彩狀，繼續(xù)升高溫度，溶液的狀態(tài)基本不變。因此，陽離子淀粉NC-2糊化的較適宜的溫度為80℃。

由圖3可知，在50℃以前，陽離子淀粉NC-3的淀粉顆粒變化不大，在55℃時，淀粉顆粒開始膨脹，在60℃時，溶液中的顆粒幾乎完全膨脹；從65℃開始，淀粉顆粒形態(tài)被破壞，在顯微鏡下呈云彩狀，繼續(xù)升高溫度，溶液的狀態(tài)仍不變。因此，陽離子淀粉NC-3糊化的較適宜的溫度為65℃

2.2 淀粉溶液的粘度變化

圖4 淀粉溶液的粘度

圖4為淀粉溶液的粘度變化曲線。由圖4可知，隨著糊化溫度的升高，淀粉溶液的粘度呈先增后減的趨勢，陽離子淀粉NC-2的變化幅度最大，陽離子淀粉NC-1的變化幅度最小，且在糊化初期溶液粘度變化均較小。陽離子淀粉NC-1在60℃時，溶液粘度開始變化，即淀粉顆粒開始膨脹；隨著糊化溫度的升高，粘度值逐漸增大，在90℃時，粘度值達到最大值5.5 MPa·s；繼續(xù)升高溫度，淀粉溶液的粘度開始減小。陽離子淀粉NC-2在55℃時，溶液粘度開始變化，即淀粉顆粒開始膨脹；隨著糊化溫度的升高，粘度值逐漸增大，在65℃時，粘度值達到最大值41.5 MPa·s；繼續(xù)升高溫度，淀粉溶液的粘度開始減小。陽離子淀粉NC-3在60℃時，溶液粘度開始變化，即淀粉顆粒開始膨脹；隨著糊化溫度的升高，粘度值逐漸增大，在70℃、75℃時，粘度值達到最大值16.0 MPa·s；繼續(xù)升高溫度，淀粉溶液的粘度開始減小。由此可知，淀粉在糊化過程中，溶液的粘度會出現(xiàn)一個最大值，且取代度不同，溶液的粘度呈現(xiàn)不一樣的變化，在抄紙過程中的作用效果不同。

2.3 淀粉糊化的最佳溫度點

結(jié)合淀粉顆粒形態(tài)的變化與淀粉溶液的粘度變化值，可以確定淀粉糊化的最佳溫度點。由圖1和圖4可知，陽離子淀粉NC-1從80℃開始顆粒完全膨脹，淀粉溶液的粘度在90℃時達到最大值，因此，90℃是陽離子淀粉NC-1糊化的最佳溫度。由圖2和圖4可知，陽離子淀粉NC-2溶液的粘度在65℃時達到最大值，但此時淀粉顆粒未完全膨脹，從80℃開始顆粒完全膨脹，此時溶液的粘度值與最大值相比減小的幅度不大，因此，80℃是陽離子淀粉NC-2糊化的最佳溫度。由圖3和圖4可知，陽離子淀粉NC-3從65℃開始顆粒完全膨脹，淀粉溶液的粘度在75℃時達到最大值，因此，75℃是陽離子淀粉NC-3糊化的最佳溫度。結(jié)果如表2所示。

表2 淀粉糊化的最佳溫度點

2.4 淀粉糊化溫度對紙張物性的影響

淀粉及其它添加劑的用量占紙張定量的質(zhì)量分數(shù)如表1所示，紙頁的各項物理性能的測試結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 淀粉糊化溫度對紙張撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)的影響（NC-1）

分別選取陽離子淀粉NC-1開始糊化的溫度點60℃、最佳糊化溫度點90℃以及其它糊化溫度點70℃、80℃、95℃作為淀粉溶液糊化的溫度，并將其加入紙漿進行抄紙。從圖5可知，隨著淀粉糊化溫度的增加，紙張撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)均呈先增后減的趨勢，且在陽離子淀粉NC-1糊化的最佳溫度點90℃時，紙張的強度最好。當NC-1添加量為1.0%時，紙張撕裂指數(shù)最大，為5.127 mN·m2/g；當NC-1添加量為1.2%時，紙張耐破指數(shù)最大，為2.44 KPa·m2/g；當NC-1添加量為1.2%時，紙張抗張指數(shù)最大，為37.645 N·m/g。淀粉具有多羥基結(jié)構(gòu)，在抄紙過程中，淀粉中的羥基與紙料纖維表面的羥基產(chǎn)生氫鍵結(jié)合，增強了纖維間的結(jié)合強度，從而增加紙張強度。淀粉由于其冷水不溶性，在添加之前需要對其進行糊化，隨著糊化溫度的升高，淀粉顆粒逐漸膨脹，最后溶于水形成膠體溶液。陽離子淀粉NC-1在糊化的最佳溫度點時，淀粉顆粒完全膨脹，有更多的羥基游離出來[17]，且溶液粘度為最大值，達到最佳使用效果，所以在該溫度下，陽離子淀粉NC-1使得紙張強度最佳，且淀粉添加量越大，紙張強度越好[18]。

圖6 淀粉糊化溫度對紙張撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)的影響（NC-2）

分別選取陽離子淀粉NC-2開始糊化的溫度點55℃、最佳糊化溫度點80℃以及其它糊化溫度點65℃、75℃、95℃作為淀粉溶液糊化的溫度，并將其加入紙漿進行抄紙。從圖6可知，隨著淀粉糊化溫度的增加，紙張撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)均呈先增后減的趨勢，且在陽離子淀粉NC-2糊化的最佳溫度點80℃時，紙張的強度最好。當NC-2添加量為1.2%時，紙張撕裂指數(shù)最大，為4.966 mN·m2/g；當NC-2添加量為1.2%時，紙張耐破指數(shù)最大，為2.717 KPa·m2/g；當NC-1添加量為1.2%時，紙張抗張指數(shù)最大，為41.525 N·m/g。因此，陽離子淀粉NC-2處于糊化的最佳溫度點80℃時，紙張強度達到最佳，且淀粉添加量越大，紙張強度越好。

圖7 淀粉糊化溫度對紙張撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)的影響（NC-3）

分別選取陽離子淀粉NC-3開始糊化的溫度點60℃、最佳糊化溫度點75℃以及其它糊化溫度點65℃、85℃、95℃作為淀粉溶液糊化的溫度，并將其加入紙漿進行抄紙。從圖7可知，隨著淀粉糊化溫度的增加，紙張撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)均呈先增后減的趨勢，且在陽離子淀粉NC-3糊化的最佳溫度點75℃時，紙張的強度最好，當NC-3添加量為1.0%時，紙張撕裂指數(shù)最大，為4.901 mN·m2/g；當NC-3添加量為1.2%時，紙張耐破指數(shù)最大，為2.716 KPa·m2/g；當NC-1添加量為1.2%時，紙張抗張指數(shù)最大，為41.538 N·m/g。因此，陽離子淀粉NC-3處于糊化的最佳溫度點75℃時，紙張的強度最佳，且淀粉添加量越大，紙張強度越好。

綜上所述，陽離子淀粉存在最佳糊化溫度，在此溫度下，淀粉顆粒完全膨脹，溶于水形成膠體溶液，且此時的淀粉溶液粘度最大，對紙張增強效果最佳，同時，隨著淀粉添加量的增加，紙張強度越好。

3 結(jié)論

本研究探討了淀粉糊化的最佳溫度的確定方法，以及不同溫度下的陽離子淀粉溶液對紙張的增強效果。通過實驗得出如下結(jié)論：

1）通過觀察淀粉顆粒形態(tài)變化和測定淀粉溶液粘度相結(jié)合的方法可以確定淀粉糊化的最佳溫度。陽離子淀粉NC-1糊化的最佳溫度是90℃，陽離子淀粉NC-2糊化的最佳溫度是80℃，陽離子淀粉NC-3糊化的最佳溫度是75℃。

2）當?shù)矸厶幱诤淖罴褱囟葧r，其對紙頁的增強作用最明顯，且淀粉含量越高，紙張強度越好。此時，含有陽離子淀粉NC-1的紙頁的撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、抗張指數(shù)為5.127 mN·m2/g、2.44 KPa·m2/g、37.645 N·m/g，含有陽離子淀粉NC-2的紙頁的撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、抗張指數(shù)為4.966 mN·m2/g、2.717 KPa·m2/g、41.525 N·m/g，含有陽離子淀粉NC-1的紙頁的撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、抗張指數(shù)為4.901 mN·m2/g、2.716 KPa·m2/g、41.538 N·m/g。

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Effect of Cationic Starch Gelatinization Temperature on Paper Physical Properties

CHEN Ying-jie, LIU Zhu-lan,
CAO Yun-feng*, PI Cheng-zhong, SU Chen

（Jiangsu Province Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China）

Abstract:The particle morphology and solution viscosity transformation of three kinds of cationic starch with different cationic DS during gelatinization was studied by microscope and rotary viscometer.The starch solutions gelatinized at different temperature were added in the pulp with different dosage to investigate the impact of the gelatinization of starch on the paper properties.It could be concluded that the optimal gelatinization temperature of cationic starch NC-1, NC-2 and NC-3 was 90℃, 80℃ and 75℃, respectively, which meaned that the optimal gelatinization temperature was decreased with the improvement of the cationic DS.Additionally, the cationic starch gelatinized at the optimal temperature gave the maximum paper strengthening.

Key words:cationic starch; gelatinization temperature; paper; physical properties

中圖分類號：TS727.2

文獻標識碼：A

文章編號：1004-8405(2016)01-0032-09

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.01.06

收稿日期：2015-11-09

基金項目：江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目。

作者簡介：陳盈潔（1991～），女，碩士研究生；研究方向：制漿造紙。chenyingjie0@163.com

* 通訊作者：曹云峰（1965～），男，博士生導(dǎo)師；研究方向：制漿造紙與清潔生產(chǎn)。yunfcao@163.com