变性淀粉在造纸行业的应用发展及展望

  • 时间: 2014-07-29 15:01:44
  • 点击率: 10400

李文凭

  (珠海华成生物科技有限公司,珠海市 519060)

  摘要 作者根据变性淀粉在我国的发展历程及在造纸行业二十多年的应用发展变化及对造纸质量的影响,结合在造纸和变性淀粉的生产实践中的体会,提出了一些观点,并对变性淀粉的发展进行了展望。

  关键词 变性淀粉;造纸;应用变化

  ABSTRACT Based on the course of development of modified starch in our country and 20 years of its application in paper-making industry and the impact on the quality of the paper, combined with his practice in paper making and the production of modified starch, the author puts forward his viewpoints and gives a prospect on modified starch future development.

  KEY WORDS modified starch; paper making; application change

  我国自改革开放以来,变性淀粉的发展和应用始终是在其下游应用产品的发展带动下进行的,造纸行业应用变性淀粉产品生产工艺方式的变化就是一个缩影。

  1 变性淀粉在我国造纸行业中的发展变化

  我国变性淀粉的发展历史是从上世纪八十年代初期开始的,那时,无论是变性淀粉的加工方式还是变性淀粉的应用领域、应用方法都处于初步认识阶段。

  经过二十多年改革开放的发展,各个行业发展迅猛,特别是造纸行业的发展速度更是惊人,无论是造纸产品的数量还是质量上的发展都是巨大的。上世纪八十年代末期,纸及纸制品的产量仅为1,280t,而到了2012年纸及纸制品的产量突破了10,000t,造纸变性淀粉的使用量也由上世纪八十年代末的二十几万吨发展到了现在的200t以上,详见表1

  表1 纸及纸板产量以及造纸变性淀粉用量的变化

 

1989

            1995

2012

纸及纸板产量(万t

1,280

2,800

11,375.33

造纸变性淀粉用量(万t

25.6

56

227.5

  而纸种的变化也由原来少量的低挡纸制品(纸袋牛皮纸、箱板纸、普通新闻纸、书刊纸等)发展到今天的高档白卡纸、高档铜版纸、无碳复写纸、高档灰底白板纸、胶印新闻纸等。因此,纸及纸制品数量和质量的变化就带动了变性淀粉的数量和品种、质量的巨大需求变化。

  2 造纸用变性淀粉的变化

  2.1 表面施胶用变性淀粉的变化

  表面施胶的目的是提高纸及纸板的表面强度和抗渗透性。在造纸行业中应用表面施胶淀粉的纸种较多,如涂布白板纸、灰底白板纸、铜版纸、双胶书刊纸、牛卡箱板纸等。

  表面施胶用变性淀粉的变化有以下几个方面:

    生产方式的变化:这种变化主要表现在最初的变性淀粉厂生产成品的表面施胶淀粉运到造纸厂后投料施胶变为现今的在部分造纸厂现场连续制作,生产、蒸煮一体化进行。

   表面施胶淀粉种类的变化:自上世纪八十年代初,表面施胶淀粉主要是次氯酸钠氧化淀粉,约占市场销售量的90%,其余为阳离子表面施胶和复合表面施胶淀粉。进入2000年以后,有一些纸厂开始在现场使用:

  过硫酸铵氧化法间歇生产表面施胶淀粉工艺如下:

  投料加过硫酸铵升温测粘度储存罐上机施胶。

  此法的优点是:一次性投资少、生产成本低;反应、糊化一次性完成;操作简单、容易。不足之处是糊化后的淀粉粘度变化容易受搅拌速度及搅拌时间的影响,造成粘度快速下降,这就给纸机施胶操作和纸品质量带来很大波动,有时还会造成次品[1]

  现场过硫酸铵氧化法制表面施胶应注意的几个方面:

  a 过硫酸铵的用量要随着原粉品种、品牌变化而调整。

     b 以木薯粉为原料时要注意木薯淀粉中纤维含量对过硫酸铵的影响。

  c 以木薯淀粉为原料时一定要选用新鲜木薯加工的淀粉,尽量不采用烘干木薯片加工的淀粉。这是因为烘干木薯片在烘干时极易产生局部糊化颗粒,这种颗粒蒸煮时分散不开,在纸品表面形成凸痕,不过,这种凸痕肉眼是看不清楚的,只有在纸品印刷时才能发现凸痕处上色不均,或者在高倍显微镜下观察可以看清楚。

  d选用玉米粉为原料时不要采用机械烘干玉米粉,因为烘干的玉米粉极易产生局部糊化颗粒,其结果和烘干木薯片生产的淀粉是一样的。

  e玉米粉较木薯粉的蛋白含量高,现场蒸煮时易产生大量泡沫,一定要注意加消泡剂。

  现场连续酶法降解糊化生产工艺,其工艺如下:

  酶制剂

  

  淀粉配料罐一级喷射器转化储存器

  

  产品储存闪蒸器二级存留二级喷射器

  采用酶法连续降解糊化法的优点是:淀粉粘度的降解、蒸煮、糊化一次性完成;这种方法产量大能满足大型纸机的高速化、连续化生产、制胶成本低、质量稳定;可控性强,操作稳定。

  现场连续酶法降解糊化生产注意事项如下:

  a 在实际生产过程中的选择非常关键,应遵循的原则是尽量用中温酶,其活性不要太高,一般在4千单位/g,活性过高加入量不易控制;“对淀粉乳液的pH值非常敏感,pH>9pH<4都会使失活,因此生产过程中监控淀粉乳的pH非常关键。

  b 选择淀粉原料注意以下问题:以木薯粉为原料时不要选择纤维含量高的淀粉;以玉米粉为原料时不要选择蛋白质含量高的淀粉。

  c 在更换淀粉原料品牌时要注意随时调整的用量等参数,否则会使粘度变化较大,给纸机施胶造成不利因素。表面施胶淀粉的变化详见表2

  表2 表面施胶淀粉的变化

变化内容

2000年前

2000年后

表面施胶淀粉生产方式变化

所有纸厂,都是购入变性淀粉成品现场蒸煮后再上机使用。

部分纸厂购入原淀粉后现场反应、蒸煮一体化进行。

表面施胶淀粉品种变化

大部分纸厂使用次氯酸钠氧化淀粉做表面施胶。

部分纸厂采用过硫酸胺或酶法现场制作表面施胶淀粉。

  2.2 喷淋用变性淀粉的变化

  层间喷淋的目的就是通过糊化的淀粉将板纸的芯层与底层或芯层与面层粘结到一起,从而提高层间结合强度的作用。一般情况下,白板纸、灰底白板纸、牛卡箱板纸均需要层间喷淋淀粉。

  层间喷淋用变性淀粉的变化主要表现在淀粉种类的变化,上世纪八十年代初期造纸厂选用喷淋淀粉都用木薯氧化淀粉、木薯酯化淀粉等变性淀粉,后来逐渐发现质量好的木薯原粉也可以代替木薯氧化淀粉、木薯酯化淀粉做喷淋用,而且,纸品的层间结合强度也不差,特别是2002年以来,一些纸厂根据纸种和纸机的不同,有选择地使用玉米原粉做层间喷淋淀粉。喷淋淀粉的这种应用变化主要是纸厂在考虑不影响纸品层间结合强度的情况下最大限度地降低生产成本。可是,不论纸厂提出何种要求,作为变性淀粉的技术人员都要为纸厂喷淋淀粉的应用提供最有力的技术支持。因此,无论是选择木薯原粉还是选择玉米原粉都要注意以下几个方面的问题:

  a 选用木薯原粉做喷淋淀粉时一定要选用初始糊化温度低、纤维少、灰分低、的产品。选用木薯原粉做喷淋淀粉时一定要选用初始糊化温度低、纤维少、灰分低的产品。

  b 选用玉米淀粉做喷淋淀粉时一定要选用蛋白质低,初始糊化温度较低,这两个方面纸厂技术人员一定要考虑对纸机速度、烘缸温度曲线进行调节以达到层间结合强度最佳。

     c 纸厂对喷淋淀粉的配制、储存系统要定期清洗以免杂质积累堵网和喷嘴,造成不必要的停机。

  喷淋淀粉的变化可归纳为:木薯变性淀粉木薯原粉玉米原粉。

  2.3 造纸湿部添加用变性淀粉的变化

  湿部添加的目的主要是在其他化学品和不同类型阳离子淀粉共同作用下提高纸品的强度或改进纸品的其他性能。

  大部分纸种均需在湿部添加阳离子淀粉,只是随着技术的进步,我国造纸湿部技术由原来的酸性施胶(一般在浆池添加阳离子淀粉后再用硫酸铝调pH),变为现在的烷基烯酮二聚体(AKD)或链烯基琥珀酸酐(ASA)中性施胶,此时使用的阳离子淀粉一般作为乳化剂使用,但是AKDASA使用的阳离子淀粉大不相同,ASA使用的是酸化阳离子淀粉,而AKD使用的是不需酸化的阳离子淀粉[2]

  2.4 涂布用变性淀粉的变化

  涂布的目的是为了改进纸的印刷性能,特别是改进纸表面对油墨的吸收性并改进印刷面光泽。

  在造纸行业,能够用变性淀粉进行涂布的纸种都是比较高档的纸种,这些纸种包括白卡纸、铜版纸、无碳复写纸等。

  造纸行业和变性淀粉经过几十年的发展,涂布用变性淀粉也在发生巨大变化,从最初使用的酸化淀粉、氧化淀粉、变为现在的复合变性淀粉或三次变性淀粉。

  2.5 纸箱粘合剂用淀粉的变化

  在纸箱粘合剂的变化主要体现在以下2个方面:

  应用工艺上的变化:工艺上的变化表现为由初期的两步人工制胶向自动制胶机转变,这是因为人工制胶操作易受搅拌开、停时间不同等操作影响造成胶液的粘度变化较大影响其使用。

  制胶用原料的变化:原来纸箱粘合剂使用的淀粉原料都是原淀粉(包括玉米粉和木薯淀粉),而近一阶段出现了使用变性淀粉作原料,这样的好处是纸品单位消耗的胶量少了,成本又不增加,且干燥费用降低了。

  3 展望未来

  从以上几个方面可以看出,变性淀粉在造纸行业的应用无论怎样变化主要是提高以下几个方面的性能:纸制品的表面强度、层间结合强度、裂断强度、耐折度、抗水性、较好的印刷性、耐压性能等。

  由于近年来全球森林资源的减少,原木浆可用量也在减少,这就导致了造纸行业使用的回收废纸浆数量越来越大,从而导致至造纸业对化学品,主要是变性淀粉的性能期望越来越高,这就使得造纸用变性淀粉的生产工艺或淀粉原料的种植有一次突破性的革命,也许在不久的将来,由于高效引发剂的诞生(效率达到90%以上)。淀粉和聚乙烯醇、丙烯酰胺、丙烯晴等化学品的接枝率达到了极高的情况下,使得造纸中的化学品(:羧甲基纤维素、聚乙烯醇、胶乳等)被廉价的高性能接枝淀粉100%代替。到那时既降低了造纸产品的生产成本,又降低了羧甲基纤维素、聚乙烯醇、胶乳等产品生产时对环境造成的破坏。

  另一方面,随着基因生物技术的提高,未来玉米、木薯、马铃薯等淀粉原料的种子一旦获得技术突破就能种植出直接用于表面施胶的低粘度淀粉或者种植出带有电荷的淀粉[3]。当然,这些都是变性淀粉生产技术工作者的期待,实现这些还要靠全球农业科技工作者和淀粉科技工作者的通力合作,进行艰苦、长期的努力来实现,这一天终将会到来的!

  参考文献

  1 《淀粉的化学与工艺学》()R.J惠斯特勒(参考第十七章:淀粉在造纸中的应用p646680)

  2 《造纸化学品的制备和作用机理》沈一丁编著(参考第五章:施胶剂p156227、第三章:造纸用水溶性聚合物p68119)

  3 《美国玉米加工新技术》美国饲料谷物协会北京办事处(参考玉米制取化学品一章p3641)