陳盈潔，曹云峰，皮成忠

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京　210037）

陽離子淀粉性能及其對紙張物理性能的影響

陳盈潔，曹云峰，皮成忠

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京210037）

以2種季銨型木薯陽離子淀粉為原料，按不同的比例加入紙漿中抄紙，通過對比2種淀粉對紙漿及紙張物理性能的作用效果來確定陽離子淀粉的取代度對紙張物理性能的影響。結(jié)果表明：高取代度的陽離子淀粉對提高紙漿留著及紙張的物理性能最有效，且2種淀粉的添加量分別為紙張定量的1.0%時，對紙張的增強效果最好。

陽離子淀粉；取代度；物理性能

在能源稀缺及污染嚴重的今天，淀粉由于具有資源廣泛、價格低廉、供應(yīng)穩(wěn)定、使用方便、可化學(xué)改性及生物降解等優(yōu)點，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-2］，尤其在造紙行業(yè)。它的可化學(xué)改性決定了它是一個不可或缺的造紙用添加劑［3-5］。淀粉作為造紙濕部添加劑，不僅能有效提高紙張表面強度和改善紙張的耐破性，而且淀粉的加入使得漿料中細小纖維和填料的留著量得到提高［6-10］。按離子特性不同，在造紙上常用的變性淀粉有下列5類：陰離子淀粉、陽離子淀粉、兩性及多元變性淀粉、非離子淀粉及其他變性淀粉［11］；其中，陽離子淀粉和兩性淀粉在造紙行業(yè)更是得到廣泛的使用［12-14］。

由于漿料纖維表面含有大量的羥基，造成漿料纖維帶有一定的負電性；而陽離子淀粉的加入能使帶正電的陽離子淀粉顆粒很好地與帶有負電的纖維結(jié)合［15］，從而增強纖維之間的結(jié)合力，使紙張強度增加。隨著造紙工業(yè)的發(fā)展，高取代度陽離子淀粉的研究越來越得到人們的重視［16-19］。

本文主要研究了2種不同取代度的陽離子淀粉性能及其對紙張物理性能的影響。

1　材料與方法

1.1原料及儀器

季銨型木薯陽離子淀粉NC-26和NC-36，由南京林業(yè)大學(xué)制漿造紙研究所合成，二者的取代度（DS）見表1；漂白桉木商品漿。

肖伯氏打漿度儀；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；撕裂度儀。

表1　陽離子淀粉的取代度

1.2漿料的準備

實驗采用漂白桉木商品漿，配制打漿濃度為2%于肖伯氏打漿度儀，待打漿度為36°SR時停止打漿；經(jīng)過24 h平衡水分后，測定漿料固含量。

1.3淀粉的糊化

將2種陽離子淀粉分別加入到冷水中制備成固含量為2%的淀粉懸浮液，再加熱升溫至（93±1）℃，保溫20 min后冷卻至室溫，并稀釋至固含量為1%的濃度待用，糊化過程中使用電動攪拌機持續(xù)攪拌。

1.4紙漿Zeta電位測定

取一定的漿料，在漿料中加入淀粉及其他添加劑，配成固含物為1%的漿料懸浮液1 000 mL，通過Zeta電位儀測定其Zeta電位。淀粉及其他添加劑的用量（占漿料中總固形物的質(zhì)量分數(shù)，下同）見表2。

表2　淀粉及其他添加劑的用量

1.5紙漿的留著性能測定

取一定的紙漿，在紙漿中加入淀粉及其他添加劑，配成固含物為1%的漿料懸浮液1 000 mL于動態(tài)濾水儀中，測定其留著性能。

1.6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。

1.7紙張性能測試

紙張的定量、厚度、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)分別采用標準GB/T 451.2—1989、T 411om-89、T 414om-98、T 403om-97和T 494om-96測試。

2　結(jié)果與分析

2.1陽離子淀粉對紙漿Zeta電位的影響

采用Zeta電位儀測定2種淀粉不同添加量下紙漿的Zeta電位，結(jié)果見圖1。

圖1　淀粉用量對紙漿Zeta電位的影響

從圖1可知，隨著2種淀粉加入量的增加，紙漿的Zeta電位均呈逐漸上升的趨勢，且在同一添加量下，加入淀粉樣品NC-36后的紙漿的Zeta電位高于淀粉樣品NC-26。在紙漿體系中，紙漿和填料均帶負電荷，加入陽離子型助留劑后，可將體系中的負電中和，使得整個紙漿體系電荷量上升。

2.2陽離子淀粉對紙漿留著性能的影響

通過動態(tài)濾水儀測定2種淀粉在不同添加量下對紙漿中填料及細小纖維的留著的影響，結(jié)果見圖2。

圖2　淀粉用量對紙漿中填料及細小纖維的留著率的影響

從圖2可知，隨著2種淀粉加入量的增加，紙漿中填料及細小纖維留著率呈先增后減的趨勢，且當?shù)矸厶砑恿繛?.0%時，各自達到其最大值，且淀粉NC-36對提高紙漿中填料及細小纖維留著率要優(yōu)于NC-26。這是由于填料及細小纖維的比表面積大，優(yōu)先吸附陽離子淀粉。

結(jié)合圖1和圖2可知，陽離子淀粉的加入使紙漿的Zeta電位升高，并且紙漿中的填料及細小纖維留著得到提高，說明高取代度的陽離子淀粉樣品NC-36對改善紙漿的留著性能有效，這基本與“Zeta電位電荷中和助留理論”一致。

本實驗中，紙漿和所加填料CaCO3均具陰電荷，加入陽離子淀粉后，可將其電荷逐步中和，即紙漿體系的Zeta電位表現(xiàn)為上升趨勢，當系統(tǒng)中Zeta電位逐漸趨向等電點時，減少了纖維與填料之間的排斥力，從而得到最大的留著率；當再次增加陽離子淀粉的用量時，系統(tǒng)就會出現(xiàn)陽離子過剩現(xiàn)象，使纖維表面帶正電荷，纖維與纖維之間又再一次產(chǎn)生排斥力，留著率開始下降，這就是紙漿中填料及細小纖維留著率先增后減的原因。

2.3陽離子淀粉對紙張物理性能的影響

圖3顯示了2種淀粉用量對紙張緊度的影響。

圖3　淀粉用量對紙張緊度的影響

由圖3可知，隨著淀粉用量的增加，紙張緊度先增后減，當?shù)矸塾昧繛?.0%時，紙頁緊度最好，且淀粉樣品NC-36的緊度要高于NC-26。由紙漿的留著性能實驗可知，高取代度陽離子淀粉NC-36對紙漿中填料及細小纖維的留著效果更好，因此在紙頁抄造過程中，高取代度陽離子淀粉NC-36比NC-26能使更多的填料顆粒及細小纖維吸附于長纖維表面，留著量增加，紙頁定量增加，緊度增加；但是過多的陽離子淀粉對紙漿體系產(chǎn)生了負面影響，從而使纖維與纖維之間排斥力再次上升，緊度下降。

圖4顯示了2種淀粉用量對紙張撕裂強度的影響。

圖4　淀粉用量對紙張撕裂強度的影響

從圖4可知，隨著淀粉用量的增加，紙張撕裂指數(shù)呈遞增的趨勢，且淀粉樣品NC-36的增大幅度要高于NC-26。在抄紙過程中，紙料纖維之間由于帶負電的影響，纖維與纖維之間結(jié)合力較差，陽離子淀粉能有效與帶負電的纖維結(jié)合，增強纖維間結(jié)合力，有效提高紙頁的撕裂強度，且陽離子取代度越高，與之結(jié)合的纖維越多，纖維間的排斥力越小，撕裂強度越好；因此，淀粉樣品NC-36對提高紙張的撕裂強度要優(yōu)于淀粉樣品NC-26，即高取代度陽離子淀粉對提高紙張的撕裂強度更有效，且隨著淀粉用量的增加，紙張的撕裂強度越好。

圖5顯示了2種淀粉用量對紙張耐破強度的影響。

圖5　淀粉用量對紙張耐破強度的影響

從圖5可知，隨著淀粉用量的增加，紙張耐破指數(shù)先增后減，在淀粉添加量為1.0%時達最大值，且淀粉樣品NC-36的增大幅度要高于NC-26。陽離子淀粉的加入增強了紙漿纖維間的結(jié)合力，對提高紙張耐破強度有效，但過多的陽離子淀粉會造成纖維的過度絮凝，從而影響紙頁的勻度，降低紙張的強度；因此，淀粉樣品NC-36對提高紙張的耐破強度要優(yōu)于淀粉樣品NC-26，即高取代度陽離子淀粉對提高紙張的耐破強度更有效，且隨著淀粉用量的增加，紙張的耐破強度有所提高；但加入量需控制在一定范圍以內(nèi)，否則過多的用量既浪費又降低了紙頁強度。

圖6顯示了淀粉用量對紙張抗張強度的影響。

圖6　淀粉用量對紙張抗張強度的影響

從圖6可知，隨著淀粉樣品NC-26用量的增加，紙張抗張指數(shù)呈直線上升趨勢；而加入NC-36，紙張抗張強度先增后減，且在添加量為1.0%時達最大值，遠遠高于NC-26。陽離子淀粉的加入增強紙漿纖維間的結(jié)合力，對提高紙張抗張強度有效，但過多的陽離子淀粉會降低紙張的強度；因此，淀粉樣品NC-36對提高紙張的抗張強度要優(yōu)于淀粉樣品NC-26，即較高的陽離子取代度對提高紙張的抗張強度更有效，且隨著淀粉用量的增加，紙張的抗張強度有所提高，但加入量需控制。

3　結(jié)論

綜上所述，紙張定量的1.0%用量的季銨型木薯陽離子淀粉NC-26和NC-36均可獲得較好的留著性能；同時對比這2種淀粉，可以發(fā)現(xiàn)同一用量的淀粉，淀粉NC-36對提高紙張中填料及細小纖維的留著和紙頁的物理強度比淀粉NC-26好，且當加入紙張定量的1.0%的淀粉NC-36時效果最佳。

對于季銨型木薯陽離子淀粉而言，取代度越高，對提高紙漿留著及紙張的物理性能越有效，但過量的添加會造成纖維的過度絮凝，從而影響紙頁的勻度，降低紙張的強度。

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Properties of Cationic Starch and the Effects on Paper Physical Properties

CHEN Ying-jie，CAO Yun-feng，PI Cheng-zhong
（Jiangsu Province Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

Two kinds of quaternary ammonium cationic starch were added into the pulp with different proportion. Comparing the properties of the pulp and paper with different starch，it was found that the degree of substitution of cationic starch greatly affects the paper properties.The cationic starch with a high degree of substitution was good at improving the pulp and paper physical properties，and when the dosage was 1.0%，the paper could be obtained with the greatest strength enhancement.

cationic starch；degree of substitution；physical properties

TS727+.2

A

1007-2225（2015）03-0001-05

陳盈潔女士（1991-），碩士研究生；研究方向：制漿造紙；E-mail：chenyingjie0@163.com。

曹云峰先生，博士生導(dǎo)師；研究方向：制漿造紙與清潔生產(chǎn)；E-mail：yunfcao@163.com。

2015-03-17（修回）

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

本文文獻格式：陳盈潔，曹云峰，皮成忠．陽離子淀粉性能及其對紙張物理性能的影響［J］．造紙化學(xué)品，2015，27（3）∶1-5．