生物污泥蛋白作為增強(qiáng)劑在瓦楞原紙中的應(yīng)用

李祥祥 孟祥美 萬(wàn)月亮 劉廷志

（天津科技大學(xué)，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457）

生物污泥蛋白作為增強(qiáng)劑在瓦楞原紙中的應(yīng)用

李祥祥 孟祥美 萬(wàn)月亮 劉廷志

（天津科技大學(xué)，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457）

本文以生活廢水生物處理剩余污泥制備的污泥蛋白為原料，將其用作增強(qiáng)劑用于再生纖維生產(chǎn)瓦楞原紙的增強(qiáng)，研究了其增強(qiáng)效果。研究發(fā)現(xiàn)隨著污泥蛋白添加量的增加，增強(qiáng)效果不斷增加。當(dāng)添加量為1.0%時(shí)，裂斷長(zhǎng)、耐破指數(shù)和撕裂指數(shù)分別達(dá)到了3.73KM、2.07Kpa·m2/g、3.5Nm m2/g，相對(duì)與對(duì)照樣，分別增加了3.48%、15.8%、23.34%，尤其是耐破指數(shù)和撕裂指數(shù)，增強(qiáng)效果明顯。

增強(qiáng)劑；瓦楞紙；剩余污泥蛋白

1 前言

再生纖維作為我國(guó)最大的造紙纖維原料越來(lái)越多的應(yīng)用于造紙生產(chǎn)中，目前我國(guó)再生纖維在造紙?jiān)现兴急壤呀?jīng)超過(guò)60%，尤其是包裝紙生產(chǎn)，再生纖維已接近100%。再生纖維的多次利用所帶來(lái)的強(qiáng)度下降、纖維角質(zhì)化等問(wèn)題日益突出，尤其是強(qiáng)度方面，和紙張的低定量化趨勢(shì)形成了鮮明的矛盾。造紙?jiān)鰪?qiáng)劑作為一種濕部添加劑對(duì)于增強(qiáng)紙張的物理性能有著十分重要影響，廢紙漿造紙更是如此[1]。與其他助劑綠色發(fā)展趨勢(shì)一樣，增強(qiáng)劑發(fā)展趨勢(shì)不僅僅要滿足本身具有良好的增強(qiáng)效果外，環(huán)境友好也是必須考慮的一種因素。目前，常用的紙張?jiān)鰪?qiáng)劑有淀粉及其衍生物、殼聚糖及其衍生物、蛋白質(zhì)及其衍生物等天然聚合物，以及聚丙烯酰胺、乳液聚合物類的合成聚合物[2]。蛋白質(zhì)作為紙頁(yè)增強(qiáng)劑一種，其中最典型是由小麥里提取出來(lái)的谷朊蛋白[3-4]和從大豆里面分離出來(lái)的大豆蛋白[5-7]。蛋白質(zhì)是由氨基酸組成，分子鏈中含有大量的氨基和羧基。因此蛋白質(zhì)在水溶液中可與纖維素形成氫鍵，從而改善紙張的物理性能。以植物蛋白作為工業(yè)原料，存在與人畜爭(zhēng)糧的問(wèn)題，無(wú)疑會(huì)造成原料價(jià)格上漲，對(duì)人類生活水平的提高有一定影響。生物污泥作為廢水生物處理過(guò)程的一種副產(chǎn)物，對(duì)其處置和處理往往需要花費(fèi)大量資金，并占有大量土地資源（填埋處理）。生物污泥有機(jī)物中有超過(guò)30%以上為菌體蛋白，對(duì)其進(jìn)行綜合利用開(kāi)發(fā)無(wú)疑會(huì)一舉多得。以生活廢水生物處理剩余活性污泥為原料，提取生物/污泥蛋白，并進(jìn)行高值化利用開(kāi)發(fā)，提高其利用價(jià)值具有深遠(yuǎn)的理論和實(shí)用價(jià)值。本研究以污泥蛋白作為原料，研制開(kāi)發(fā)其在造紙?jiān)鰪?qiáng)方面的應(yīng)用，旨在探索其作為造紙?jiān)鰪?qiáng)劑的利用價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)原料：

污泥蛋白：由天津?yàn)I海某環(huán)保技術(shù)公司提供，蛋白含量30-35%，深褐色液體。

紙漿原料：廢紙箱經(jīng)撕碎 （3cm左右小片）、浸泡、疏解處理后脫水冰箱內(nèi)冷藏備用。

陽(yáng)離子淀粉：實(shí)驗(yàn)室自制，取代度0.1，用做污泥蛋白的助留劑。

1.1 污泥蛋白增強(qiáng)劑的制備

稱取適量污泥蛋白于燒杯中，往燒杯中加入一定量的蒸餾水中，60℃下恒溫水浴鍋中保溫30min，使蛋白分子溶解分散并調(diào)整污泥蛋白增強(qiáng)劑蛋白含量為16.7%。

1.2 陽(yáng)離子淀粉的糊化

在燒杯中加入適量的蒸餾水中，稱取一定量的陽(yáng)離子淀粉加入燒杯中。然后在95℃下恒溫水浴鍋中至陽(yáng)離子淀粉糊化完全。調(diào)節(jié)糊化后的陽(yáng)離子淀粉固含量為8.0%。

1.3 紙頁(yè)的抄造

稱取適量的打漿度為27°SR的再生纖維制漿于標(biāo)準(zhǔn)疏解機(jī)中疏解，按絕干漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%加入陽(yáng)離子淀粉作為助留劑和一定量的污泥蛋白增強(qiáng)劑。污泥蛋白添加量分為0%、0.25%、0.50%和1%。將漿料濃度調(diào)節(jié)至0.5%，用紙頁(yè)成型器抄片，并在95℃下烘干8min得到定量為120g/m2的瓦楞原紙。

1.4 瓦楞原紙的物理性能檢測(cè)

烘干后的紙樣放置在23℃和50%濕度的環(huán)境中恒溫恒濕24h以上后，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瓦楞紙進(jìn)行定量、厚度、抗張強(qiáng)度、耐破度、撕裂度和環(huán)壓強(qiáng)度等物理性能進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2．1 瓦楞紙的定量及厚度

以再生纖維為原料，添加不同含量的污泥蛋白作為增強(qiáng)劑，抄造的瓦楞原紙手抄片的定量及厚度見(jiàn)圖1。從圖1還可以看出，污泥蛋白作為增強(qiáng)劑對(duì)手抄片的厚度和定量影響不大，所抄造的瓦楞原紙紙頁(yè)的定量均在 120±1g·m2；厚度在 215±5um，污泥蛋白的使用對(duì)紙頁(yè)定量和厚度基本沒(méi)有影響。

圖1 瓦楞紙的定量及厚度

2.2 污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量對(duì)瓦楞原紙抗張強(qiáng)度的影響

圖2是隨著污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量的增加，瓦楞原紙手抄片的抗張強(qiáng)度變化情況。由圖2可知，污泥蛋白增強(qiáng)劑對(duì)瓦楞紙的抗張強(qiáng)度增強(qiáng)效果不明顯，但隨著污泥蛋白添加量的增加瓦楞紙的抗張強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。在污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量為0.25%時(shí)，瓦楞紙的裂斷長(zhǎng)為3.63KM，相對(duì)于對(duì)照組其裂斷長(zhǎng)僅增加了0.97%，當(dāng)污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量為1%時(shí)，瓦楞紙的裂斷長(zhǎng)也只有3.73KM，相對(duì)于對(duì)照組其裂斷長(zhǎng)增加了3.48%，在抗張方面增強(qiáng)效果非常不顯著。因此剩余污泥蛋白對(duì)瓦楞原紙的增強(qiáng)效果并不明顯。從理論上講，蛋白質(zhì)基本組成為氨基酸，含有大量的氨基和羧基，在水溶液中易于纖維素形成氫鍵。而瓦楞原紙的抗張強(qiáng)度主要取決于纖維之間結(jié)合力和纖維自身強(qiáng)度。污泥蛋白作為增強(qiáng)劑，雖可以在纖維之間形成氫鍵，加強(qiáng)纖維間的結(jié)合強(qiáng)度，但從污泥蛋白增強(qiáng)效果上看，這種增強(qiáng)效果并不顯著。但從以往研究中可以發(fā)現(xiàn)，改性蛋白分子在抗張?jiān)鰪?qiáng)方面效果十分顯著，尹覃偉[4]等利用甲醛和甲酸制備改性谷朊蛋白結(jié)果使紙張干抗張強(qiáng)度提高35%。本研究?jī)H使用污泥蛋白對(duì)瓦楞原紙裂斷長(zhǎng)增強(qiáng)效果不顯著，看來(lái)污泥蛋白用作增強(qiáng)還需要進(jìn)一步研究或改性處理，提高增強(qiáng)效果。

圖2 污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量對(duì)瓦楞原紙抗張強(qiáng)度的影響

2.3 污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量對(duì)瓦楞原紙耐破度的影響

圖3是隨著污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量增加，瓦楞原紙的耐破度變化情況。由圖3可知，污泥蛋白增強(qiáng)劑對(duì)瓦楞原紙的耐破度有著很好的增加效果，且隨著增強(qiáng)劑的添加量的增加瓦楞原紙的耐破度呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。在污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量為0.25%時(shí)，瓦楞原紙的耐破指數(shù)為1.84Kpa·m2/g，相對(duì)于對(duì)照組其耐破指數(shù)增加0.97%。當(dāng)污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量為1%時(shí)，瓦楞原紙的耐破指數(shù)增加到2.07Kpa·m2/g，相對(duì)于對(duì)照組其耐破指數(shù)增加15.8%。瓦楞原紙纖維長(zhǎng)度和纖維間結(jié)合力是影響瓦楞原紙耐破度主要兩個(gè)因素，從理論上說(shuō)，污泥蛋白增強(qiáng)劑是通過(guò)與纖維的氫鍵作用增加了瓦楞原紙的耐破度。尹覃偉[4]等將陽(yáng)離子改性谷朊蛋白加入紙張中，其耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)均有較大提高。王帥[5]等利用氯乙酸制備羧甲基大豆蛋白用作增強(qiáng)劑，當(dāng)其加入量為絕干纖維的0.3%時(shí)，手抄片的耐破指數(shù)提高34.5%，顯示出良好的增強(qiáng)效果。

圖3 污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量對(duì)瓦楞紙耐破度的影響

2.4 污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量對(duì)瓦楞原紙撕裂度的影響

圖4是隨著污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量增加，瓦楞原紙的撕裂度變化情況。由圖4可知，污泥蛋白增強(qiáng)劑對(duì)瓦楞原紙的撕裂度有著很好的增加效果，且隨著增強(qiáng)劑的添加量的增加瓦楞紙的撕裂度呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。在污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量為0.25%時(shí)，瓦楞原紙的撕裂指數(shù)為3.06Nm·m2/g，相對(duì)于對(duì)照組其撕裂指數(shù)增加7.57%。當(dāng)污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量為1%時(shí)，瓦楞原紙的撕裂指數(shù)增加到3.5Nm·m2/g，相對(duì)于對(duì)照組其撕裂指數(shù)增加23.34%。影響瓦楞原紙撕裂度主要是纖維的平均長(zhǎng)度，其次是纖維結(jié)合力、纖維排列方向、纖維強(qiáng)度和纖維的交織情況。污泥蛋白增強(qiáng)劑通過(guò)氫鍵作用加強(qiáng)纖維間的交織從而加強(qiáng)瓦楞紙的撕裂度。劉慶云等[6]對(duì)大豆蛋白做改性處理用作紙張?jiān)鰪?qiáng)劑，當(dāng)其用量為0.3%時(shí)，撕裂指數(shù)提高30.5%；表明改性大豆蛋白具有良好的增強(qiáng)效果。陳夫山等[7]研究羧甲基大豆蛋白對(duì)紙張?jiān)鰪?qiáng)性能的影響，結(jié)果表明羧甲基大豆蛋白對(duì)紙張撕裂度性能有影響，當(dāng)其用量為0．2%時(shí)，增強(qiáng)效果最佳，為其最佳用量。

圖4 污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量對(duì)瓦楞紙撕裂度的影響

2.5 污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量對(duì)瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度的影響

圖5是隨著污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量增加，瓦楞原紙的環(huán)壓強(qiáng)度變化情況。影響瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度的因素有原料配比、定量、水分、厚度等[8]。由圖5可知，污泥蛋白增強(qiáng)劑用量對(duì)瓦楞紙的環(huán)壓強(qiáng)度無(wú)明顯的影響。當(dāng)污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量為0.25%時(shí)，瓦楞原紙的環(huán)壓指數(shù)有最大值為11.35N·m/g，相對(duì)于對(duì)照組的環(huán)壓指數(shù)增加4.15%，隨后隨著用量增加反而出現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量為1%時(shí)，瓦楞原紙的環(huán)壓指數(shù)下降到10.89N·m/g，相對(duì)于對(duì)照組的環(huán)壓指數(shù)下降0.14%。這可能跟蛋白材料用作增強(qiáng)劑，無(wú)法改變影響瓦楞原紙的環(huán)壓強(qiáng)度的影響因素，因此對(duì)環(huán)壓的增強(qiáng)不顯著。

圖5 污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量對(duì)瓦楞紙環(huán)壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

污泥蛋白增強(qiáng)劑用作瓦楞原紙的增強(qiáng)，其在瓦楞原紙的耐破度和撕裂度方面都呈現(xiàn)出較好的增強(qiáng)效果。但對(duì)瓦楞原紙的主要強(qiáng)度指標(biāo):抗張、環(huán)壓等指標(biāo)影響不大，因此作為濕部增強(qiáng)劑，污泥蛋白用于瓦楞原紙?jiān)鰪?qiáng)效果并不顯著。當(dāng)污泥蛋白增強(qiáng)劑添加量為1.0%時(shí)，瓦楞紙的裂斷長(zhǎng)、耐破指數(shù)和撕裂指數(shù)分別為 3.73KM、2.07Kpa m2/g、3.5Nm m2/g，相對(duì)對(duì)照組增加量分別為3.48%、15.8%、23.34%。

從應(yīng)用效果上分析，結(jié)合以往蛋白類增強(qiáng)劑研究經(jīng)驗(yàn)，污泥蛋白用作增強(qiáng)劑，必須進(jìn)行改性處理。

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[7]陳夫山,劉慶云.大豆蛋白改性技術(shù)及其在造紙中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2016,01:54-56.

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