淀粉糊化温度对纸张物理性能的影响

陈盈洁，刘祝兰，曹云峰*，皮成忠，苏 晨（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）



淀粉糊化温度对纸张物理性能的影响

陈盈洁，刘祝兰，曹云峰*，皮成忠，苏 晨
（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）

摘 要：利用显微镜和旋转式粘度仪，研究阳离子淀粉糊化过程中淀粉颗粒形态和溶液粘度的变化规律，并将不同温度下糊化的淀粉溶液按不同的比例加入纸浆中抄纸，从而探明不同糊化温度的淀粉溶液对纸张物理性能的影响。结果显示：阳离子淀粉NC-1、NC-2和NC-3的最佳糊化温度分别为90℃、80℃和75℃，糊化温度并随阳离子取代度的提高而下降，且在最佳糊化温度下的淀粉溶液对纸张增强效果最显著。

关键词：阳离子淀粉；糊化温度；纸张；物理性能

淀粉作为一种现今广泛应用的化工原料，具有价廉、易得、可再生、符合环境保护等突出的特点，因而在造纸行业得到广泛应用[1-2]。淀粉是一种多羟基化合物，淀粉分子之间通过氢键连接紧密排列，加入冷水时，淀粉颗粒并不溶于水，且淀粉分子的形态始终未发生变化，从而限制了淀粉在抄纸过程中的应用。因此，在使用淀粉之前必须对其进行处理[3]，而淀粉糊化作为一种较为简便的方法，且对淀粉本身的性能影响甚微[4-6]，在抄纸过程中被广泛应用。

淀粉作为造纸湿部添加剂，主要表现为增强纸张的物理性能[7-10]，但国内许多造纸企业在使用淀粉过程中直接将其糊化至指定温度，没有根据不同淀粉的属性进行糊化温度和工艺的变化，从而没有充分发挥淀粉在造纸中的作用[11-13]。而淀粉在糊化过程中伴随着颗粒形态变化和粘度变化，此现象可通过观察淀粉颗粒形态变化和测定淀粉溶液的粘度值相结合的方法确定淀粉的糊化特性[14-16]。此外，随着糊化温度的升高，淀粉溶液的状态不同，与纸浆纤维的结合情况也不同，从而影响纸张强度。因此，本研究通过监测淀粉糊化过程中的颗粒形态和溶液粘度的变化规律，确定不同淀粉糊化的最佳温度，以及在不同温度下糊化的淀粉溶液对纸张物理性能的影响。

1 实验

1.1 原料与设备

季铵型木薯阳离子淀粉NC-1（取代度为0.032）、NC-2（取代度为0.039）和NC-3（取代度为0.045）由南京林业大学制浆造纸研究所合成；漂白桉木浆，工业级，印尼产；阳离子聚丙烯酰胺（CPAM-1），化学纯，上海通用淀粉公司。

槽式打浆机，肖伯氏打浆度仪，恒温水浴锅HH-2，电动搅拌机，体式显微镜MD50，超级恒温水浴锅2004-21（501），旋转式粘度计NDJ-79，Zeta电位测定仪，纤维疏解机，快速抄片机，动态滤水仪，分析天平，纸张厚度计，抗张强度仪，纸张耐破度仪和撕裂度仪。

1.2 浆料的准备

实验采用漂白桉木浆，配制打浆浓度为2%于槽式打浆机中打浆，待打浆度为36ºSR时停止打浆，脱水分散均匀后置于密封袋中平衡水分24 h，测定浆料水分。

1.3 淀粉的糊化

将三种不同取代度的阳离子淀粉分别配制成2%浓度的淀粉悬浮液，恒温水浴加热升温糊化，糊化过程中使用电动搅拌机持续搅拌。

1.4 淀粉的粘度及形态观测

分别选取温度点30、40、50、55、60、65、70、75、80、85、90和95℃，吸取一定量各温度点下的淀粉溶液，利用旋转式粘度计测定其粘度，同时吸取一定量该温度点下的淀粉溶液并加入标准碘溶液，待完全显色后置于体式显微镜下放大80倍观测其颗粒形态。

1.5 抄纸

称取一定量漂白桉木浆及所需添加剂，混合物经电动搅拌机搅拌均匀后在实验室快速抄片机上抄制定量为80 g/m2纸张，干燥后将其置于湿度50%、温度23℃的恒温恒湿物检室内平衡24 h后检测纸张物理性能。淀粉及其它添加剂的用量占浆料中总固形物的质量分数见表1。淀粉溶液的糊化温度是以其最佳糊化温度点为中心选取的五个温度点。

表1 淀粉及其它添加剂的用量

1.6 纸性测试

定量、厚度、撕裂指数、耐破指数、抗张指数分别按照GB/T451.2-1989、T411om-89、T414om-98、T403om-97、T494om-96标准进行测定。

2 结果与讨论

2.1 淀粉颗粒形态变化

2.1.1 阳离子淀粉NC-1颗粒形态变化

阳离子淀粉NC-1颗粒形态变化如图1所示。

图1 阳离子淀粉NC-1颗粒形态变化

2.1.2 阳离子淀粉NC-2颗粒形态变化

阳离子淀粉NC-2颗粒形态变化如图2所示。

图2 阳离子淀粉NC-2颗粒形态变化

2.1.3 阳离子淀粉NC-3颗粒形态变化

阳离子淀粉NC-3颗粒形态变化如图3所示。

图3 阳离子淀粉NC-3颗粒形态变化

由图1～3可知，淀粉在水中的溶解度随着温度的升高逐渐增大，最后溶于水形成均一溶液。淀粉颗粒由结晶区和非结晶区组成，在糊化过程中，淀粉颗粒受热膨胀，水分子进入淀粉颗粒的结晶区，淀粉的晶体结构被破坏，淀粉分子间氢键结合力减弱，开始与水分子形成氢键结合，从而溶于水形成均一溶液[17]。

由图1可知，阳离子淀粉NC-1在淀粉糊化初期，淀粉颗粒不溶于水，呈圆球状，在55℃以前，淀粉颗粒变化不大，60℃时，淀粉颗粒开始膨胀，较之前的颗粒大，直到75℃，淀粉颗粒完全膨胀，从80℃开始，淀粉颗粒形态被破坏，在显微镜下呈云彩状，继续升高温度对溶液状态几乎无影响。因此，阳离子淀粉NC-1糊化的较适宜的温度为80℃。

由图2可知，阳离子淀粉NC-2在50℃以前，淀粉颗粒变化不大，55℃时，淀粉颗粒开始膨胀，在75℃时，溶液中的颗粒几乎完全膨胀；从80℃开始，淀粉颗粒形态被破坏，在显微镜下呈云彩状，继续升高温度，溶液的状态基本不变。因此，阳离子淀粉NC-2糊化的较适宜的温度为80℃。

由图3可知，在50℃以前，阳离子淀粉NC-3的淀粉颗粒变化不大，在55℃时，淀粉颗粒开始膨胀，在60℃时，溶液中的颗粒几乎完全膨胀；从65℃开始，淀粉颗粒形态被破坏，在显微镜下呈云彩状，继续升高温度，溶液的状态仍不变。因此，阳离子淀粉NC-3糊化的较适宜的温度为65℃

2.2 淀粉溶液的粘度变化

图4 淀粉溶液的粘度

图4为淀粉溶液的粘度变化曲线。由图4可知，随着糊化温度的升高，淀粉溶液的粘度呈先增后减的趋势，阳离子淀粉NC-2的变化幅度最大，阳离子淀粉NC-1的变化幅度最小，且在糊化初期溶液粘度变化均较小。阳离子淀粉NC-1在60℃时，溶液粘度开始变化，即淀粉颗粒开始膨胀；随着糊化温度的升高，粘度值逐渐增大，在90℃时，粘度值达到最大值5.5 MPa·s；继续升高温度，淀粉溶液的粘度开始减小。阳离子淀粉NC-2在55℃时，溶液粘度开始变化，即淀粉颗粒开始膨胀；随着糊化温度的升高，粘度值逐渐增大，在65℃时，粘度值达到最大值41.5 MPa·s；继续升高温度，淀粉溶液的粘度开始减小。阳离子淀粉NC-3在60℃时，溶液粘度开始变化，即淀粉颗粒开始膨胀；随着糊化温度的升高，粘度值逐渐增大，在70℃、75℃时，粘度值达到最大值16.0 MPa·s；继续升高温度，淀粉溶液的粘度开始减小。由此可知，淀粉在糊化过程中，溶液的粘度会出现一个最大值，且取代度不同，溶液的粘度呈现不一样的变化，在抄纸过程中的作用效果不同。

2.3 淀粉糊化的最佳温度点

结合淀粉颗粒形态的变化与淀粉溶液的粘度变化值，可以确定淀粉糊化的最佳温度点。由图1和图4可知，阳离子淀粉NC-1从80℃开始颗粒完全膨胀，淀粉溶液的粘度在90℃时达到最大值，因此，90℃是阳离子淀粉NC-1糊化的最佳温度。由图2和图4可知，阳离子淀粉NC-2溶液的粘度在65℃时达到最大值，但此时淀粉颗粒未完全膨胀，从80℃开始颗粒完全膨胀，此时溶液的粘度值与最大值相比减小的幅度不大，因此，80℃是阳离子淀粉NC-2糊化的最佳温度。由图3和图4可知，阳离子淀粉NC-3从65℃开始颗粒完全膨胀，淀粉溶液的粘度在75℃时达到最大值，因此，75℃是阳离子淀粉NC-3糊化的最佳温度。结果如表2所示。

表2 淀粉糊化的最佳温度点

2.4 淀粉糊化温度对纸张物性的影响

淀粉及其它添加剂的用量占纸张定量的质量分数如表1所示，纸页的各项物理性能的测试结果如图5、图6和图7所示。

图5 淀粉糊化温度对纸张撕裂指数、耐破指数和抗张指数的影响（NC-1）

分别选取阳离子淀粉NC-1开始糊化的温度点60℃、最佳糊化温度点90℃以及其它糊化温度点70℃、80℃、95℃作为淀粉溶液糊化的温度，并将其加入纸浆进行抄纸。从图5可知，随着淀粉糊化温度的增加，纸张撕裂指数、耐破指数和抗张指数均呈先增后减的趋势，且在阳离子淀粉NC-1糊化的最佳温度点90℃时，纸张的强度最好。当NC-1添加量为1.0%时，纸张撕裂指数最大，为5.127 mN·m2/g；当NC-1添加量为1.2%时，纸张耐破指数最大，为2.44 KPa·m2/g；当NC-1添加量为1.2%时，纸张抗张指数最大，为37.645 N·m/g。淀粉具有多羟基结构，在抄纸过程中，淀粉中的羟基与纸料纤维表面的羟基产生氢键结合，增强了纤维间的结合强度，从而增加纸张强度。淀粉由于其冷水不溶性，在添加之前需要对其进行糊化，随着糊化温度的升高，淀粉颗粒逐渐膨胀，最后溶于水形成胶体溶液。阳离子淀粉NC-1在糊化的最佳温度点时，淀粉颗粒完全膨胀，有更多的羟基游离出来[17]，且溶液粘度为最大值，达到最佳使用效果，所以在该温度下，阳离子淀粉NC-1使得纸张强度最佳，且淀粉添加量越大，纸张强度越好[18]。

图6 淀粉糊化温度对纸张撕裂指数、耐破指数和抗张指数的影响（NC-2）

分别选取阳离子淀粉NC-2开始糊化的温度点55℃、最佳糊化温度点80℃以及其它糊化温度点65℃、75℃、95℃作为淀粉溶液糊化的温度，并将其加入纸浆进行抄纸。从图6可知，随着淀粉糊化温度的增加，纸张撕裂指数、耐破指数和抗张指数均呈先增后减的趋势，且在阳离子淀粉NC-2糊化的最佳温度点80℃时，纸张的强度最好。当NC-2添加量为1.2%时，纸张撕裂指数最大，为4.966 mN·m2/g；当NC-2添加量为1.2%时，纸张耐破指数最大，为2.717 KPa·m2/g；当NC-1添加量为1.2%时，纸张抗张指数最大，为41.525 N·m/g。因此，阳离子淀粉NC-2处于糊化的最佳温度点80℃时，纸张强度达到最佳，且淀粉添加量越大，纸张强度越好。

图7 淀粉糊化温度对纸张撕裂指数、耐破指数和抗张指数的影响（NC-3）

分别选取阳离子淀粉NC-3开始糊化的温度点60℃、最佳糊化温度点75℃以及其它糊化温度点65℃、85℃、95℃作为淀粉溶液糊化的温度，并将其加入纸浆进行抄纸。从图7可知，随着淀粉糊化温度的增加，纸张撕裂指数、耐破指数和抗张指数均呈先增后减的趋势，且在阳离子淀粉NC-3糊化的最佳温度点75℃时，纸张的强度最好，当NC-3添加量为1.0%时，纸张撕裂指数最大，为4.901 mN·m2/g；当NC-3添加量为1.2%时，纸张耐破指数最大，为2.716 KPa·m2/g；当NC-1添加量为1.2%时，纸张抗张指数最大，为41.538 N·m/g。因此，阳离子淀粉NC-3处于糊化的最佳温度点75℃时，纸张的强度最佳，且淀粉添加量越大，纸张强度越好。

综上所述，阳离子淀粉存在最佳糊化温度，在此温度下，淀粉颗粒完全膨胀，溶于水形成胶体溶液，且此时的淀粉溶液粘度最大，对纸张增强效果最佳，同时，随着淀粉添加量的增加，纸张强度越好。

3 结论

本研究探讨了淀粉糊化的最佳温度的确定方法，以及不同温度下的阳离子淀粉溶液对纸张的增强效果。通过实验得出如下结论：

1）通过观察淀粉颗粒形态变化和测定淀粉溶液粘度相结合的方法可以确定淀粉糊化的最佳温度。阳离子淀粉NC-1糊化的最佳温度是90℃，阳离子淀粉NC-2糊化的最佳温度是80℃，阳离子淀粉NC-3糊化的最佳温度是75℃。

2）当淀粉处于糊化的最佳温度时，其对纸页的增强作用最明显，且淀粉含量越高，纸张强度越好。此时，含有阳离子淀粉NC-1的纸页的撕裂指数、耐破指数、抗张指数为5.127 mN·m2/g、2.44 KPa·m2/g、37.645 N·m/g，含有阳离子淀粉NC-2的纸页的撕裂指数、耐破指数、抗张指数为4.966 mN·m2/g、2.717 KPa·m2/g、41.525 N·m/g，含有阳离子淀粉NC-1的纸页的撕裂指数、耐破指数、抗张指数为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

中图分类号：TS727.2

文献标识码：A

文章编号：1004-8405(2016)01-0032-09

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.01.06

收稿日期：2015-11-09

基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目。

作者简介：陈盈洁（1991～），女，硕士研究生；研究方向：制浆造纸。chenyingjie0@163.com

* 通讯作者：曹云峰（1965～），男，博士生导师；研究方向：制浆造纸与清洁生产。yunfcao@163.com