生物污泥蛋白作为增强剂在瓦楞原纸中的应用

李祥祥 孟祥美 万月亮 刘廷志

（天津科技大学，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457）

生物污泥蛋白作为增强剂在瓦楞原纸中的应用

李祥祥 孟祥美 万月亮 刘廷志

（天津科技大学，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457）

本文以生活废水生物处理剩余污泥制备的污泥蛋白为原料，将其用作增强剂用于再生纤维生产瓦楞原纸的增强，研究了其增强效果。研究发现随着污泥蛋白添加量的增加，增强效果不断增加。当添加量为1.0%时，裂断长、耐破指数和撕裂指数分别达到了3.73KM、2.07Kpa·m2/g、3.5Nm m2/g，相对与对照样，分别增加了3.48%、15.8%、23.34%，尤其是耐破指数和撕裂指数，增强效果明显。

增强剂；瓦楞纸；剩余污泥蛋白

1 前言

再生纤维作为我国最大的造纸纤维原料越来越多的应用于造纸生产中，目前我国再生纤维在造纸原料中所占比例已经超过60%，尤其是包装纸生产，再生纤维已接近100%。再生纤维的多次利用所带来的强度下降、纤维角质化等问题日益突出，尤其是强度方面，和纸张的低定量化趋势形成了鲜明的矛盾。造纸增强剂作为一种湿部添加剂对于增强纸张的物理性能有着十分重要影响，废纸浆造纸更是如此[1]。与其他助剂绿色发展趋势一样，增强剂发展趋势不仅仅要满足本身具有良好的增强效果外，环境友好也是必须考虑的一种因素。目前，常用的纸张增强剂有淀粉及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、蛋白质及其衍生物等天然聚合物，以及聚丙烯酰胺、乳液聚合物类的合成聚合物[2]。蛋白质作为纸页增强剂一种，其中最典型是由小麦里提取出来的谷朊蛋白[3-4]和从大豆里面分离出来的大豆蛋白[5-7]。蛋白质是由氨基酸组成，分子链中含有大量的氨基和羧基。因此蛋白质在水溶液中可与纤维素形成氢键，从而改善纸张的物理性能。以植物蛋白作为工业原料，存在与人畜争粮的问题，无疑会造成原料价格上涨，对人类生活水平的提高有一定影响。生物污泥作为废水生物处理过程的一种副产物，对其处置和处理往往需要花费大量资金，并占有大量土地资源（填埋处理）。生物污泥有机物中有超过30%以上为菌体蛋白，对其进行综合利用开发无疑会一举多得。以生活废水生物处理剩余活性污泥为原料，提取生物/污泥蛋白，并进行高值化利用开发，提高其利用价值具有深远的理论和实用价值。本研究以污泥蛋白作为原料，研制开发其在造纸增强方面的应用，旨在探索其作为造纸增强剂的利用价值。

2 实验部分

实验原料：

污泥蛋白：由天津滨海某环保技术公司提供，蛋白含量30-35%，深褐色液体。

纸浆原料：废纸箱经撕碎 （3cm左右小片）、浸泡、疏解处理后脱水冰箱内冷藏备用。

阳离子淀粉：实验室自制，取代度0.1，用做污泥蛋白的助留剂。

1.1 污泥蛋白增强剂的制备

称取适量污泥蛋白于烧杯中，往烧杯中加入一定量的蒸馏水中，60℃下恒温水浴锅中保温30min，使蛋白分子溶解分散并调整污泥蛋白增强剂蛋白含量为16.7%。

1.2 阳离子淀粉的糊化

在烧杯中加入适量的蒸馏水中，称取一定量的阳离子淀粉加入烧杯中。然后在95℃下恒温水浴锅中至阳离子淀粉糊化完全。调节糊化后的阳离子淀粉固含量为8.0%。

1.3 纸页的抄造

称取适量的打浆度为27°SR的再生纤维制浆于标准疏解机中疏解，按绝干浆质量分数0.25%加入阳离子淀粉作为助留剂和一定量的污泥蛋白增强剂。污泥蛋白添加量分为0%、0.25%、0.50%和1%。将浆料浓度调节至0.5%，用纸页成型器抄片，并在95℃下烘干8min得到定量为120g/m2的瓦楞原纸。

1.4 瓦楞原纸的物理性能检测

烘干后的纸样放置在23℃和50%湿度的环境中恒温恒湿24h以上后，按照国家标准对瓦楞纸进行定量、厚度、抗张强度、耐破度、撕裂度和环压强度等物理性能进行检测。

2 结果与讨论

2．1 瓦楞纸的定量及厚度

以再生纤维为原料，添加不同含量的污泥蛋白作为增强剂，抄造的瓦楞原纸手抄片的定量及厚度见图1。从图1还可以看出，污泥蛋白作为增强剂对手抄片的厚度和定量影响不大，所抄造的瓦楞原纸纸页的定量均在 120±1g·m2；厚度在 215±5um，污泥蛋白的使用对纸页定量和厚度基本没有影响。

图1 瓦楞纸的定量及厚度

2.2 污泥蛋白增强剂添加量对瓦楞原纸抗张强度的影响

图2是随着污泥蛋白增强剂添加量的增加，瓦楞原纸手抄片的抗张强度变化情况。由图2可知，污泥蛋白增强剂对瓦楞纸的抗张强度增强效果不明显，但随着污泥蛋白添加量的增加瓦楞纸的抗张强度呈现逐渐增加趋势。在污泥蛋白增强剂添加量为0.25%时，瓦楞纸的裂断长为3.63KM，相对于对照组其裂断长仅增加了0.97%，当污泥蛋白增强剂添加量为1%时，瓦楞纸的裂断长也只有3.73KM，相对于对照组其裂断长增加了3.48%，在抗张方面增强效果非常不显著。因此剩余污泥蛋白对瓦楞原纸的增强效果并不明显。从理论上讲，蛋白质基本组成为氨基酸，含有大量的氨基和羧基，在水溶液中易于纤维素形成氢键。而瓦楞原纸的抗张强度主要取决于纤维之间结合力和纤维自身强度。污泥蛋白作为增强剂，虽可以在纤维之间形成氢键，加强纤维间的结合强度，但从污泥蛋白增强效果上看，这种增强效果并不显著。但从以往研究中可以发现，改性蛋白分子在抗张增强方面效果十分显著，尹覃伟[4]等利用甲醛和甲酸制备改性谷朊蛋白结果使纸张干抗张强度提高35%。本研究仅使用污泥蛋白对瓦楞原纸裂断长增强效果不显著，看来污泥蛋白用作增强还需要进一步研究或改性处理，提高增强效果。

图2 污泥蛋白增强剂添加量对瓦楞原纸抗张强度的影响

2.3 污泥蛋白增强剂添加量对瓦楞原纸耐破度的影响

图3是随着污泥蛋白增强剂添加量增加，瓦楞原纸的耐破度变化情况。由图3可知，污泥蛋白增强剂对瓦楞原纸的耐破度有着很好的增加效果，且随着增强剂的添加量的增加瓦楞原纸的耐破度呈现逐渐增加趋势。在污泥蛋白增强剂添加量为0.25%时，瓦楞原纸的耐破指数为1.84Kpa·m2/g，相对于对照组其耐破指数增加0.97%。当污泥蛋白增强剂添加量为1%时，瓦楞原纸的耐破指数增加到2.07Kpa·m2/g，相对于对照组其耐破指数增加15.8%。瓦楞原纸纤维长度和纤维间结合力是影响瓦楞原纸耐破度主要两个因素，从理论上说，污泥蛋白增强剂是通过与纤维的氢键作用增加了瓦楞原纸的耐破度。尹覃伟[4]等将阳离子改性谷朊蛋白加入纸张中，其耐破指数、撕裂指数均有较大提高。王帅[5]等利用氯乙酸制备羧甲基大豆蛋白用作增强剂，当其加入量为绝干纤维的0.3%时，手抄片的耐破指数提高34.5%，显示出良好的增强效果。

图3 污泥蛋白增强剂添加量对瓦楞纸耐破度的影响

2.4 污泥蛋白增强剂添加量对瓦楞原纸撕裂度的影响

图4是随着污泥蛋白增强剂添加量增加，瓦楞原纸的撕裂度变化情况。由图4可知，污泥蛋白增强剂对瓦楞原纸的撕裂度有着很好的增加效果，且随着增强剂的添加量的增加瓦楞纸的撕裂度呈现逐渐增加趋势。在污泥蛋白增强剂添加量为0.25%时，瓦楞原纸的撕裂指数为3.06Nm·m2/g，相对于对照组其撕裂指数增加7.57%。当污泥蛋白增强剂添加量为1%时，瓦楞原纸的撕裂指数增加到3.5Nm·m2/g，相对于对照组其撕裂指数增加23.34%。影响瓦楞原纸撕裂度主要是纤维的平均长度，其次是纤维结合力、纤维排列方向、纤维强度和纤维的交织情况。污泥蛋白增强剂通过氢键作用加强纤维间的交织从而加强瓦楞纸的撕裂度。刘庆云等[6]对大豆蛋白做改性处理用作纸张增强剂，当其用量为0.3%时，撕裂指数提高30.5%；表明改性大豆蛋白具有良好的增强效果。陈夫山等[7]研究羧甲基大豆蛋白对纸张增强性能的影响，结果表明羧甲基大豆蛋白对纸张撕裂度性能有影响，当其用量为0．2%时，增强效果最佳，为其最佳用量。

图4 污泥蛋白增强剂添加量对瓦楞纸撕裂度的影响

2.5 污泥蛋白增强剂添加量对瓦楞原纸环压强度的影响

图5是随着污泥蛋白增强剂添加量增加，瓦楞原纸的环压强度变化情况。影响瓦楞原纸环压强度的因素有原料配比、定量、水分、厚度等[8]。由图5可知，污泥蛋白增强剂用量对瓦楞纸的环压强度无明显的影响。当污泥蛋白增强剂添加量为0.25%时，瓦楞原纸的环压指数有最大值为11.35N·m/g，相对于对照组的环压指数增加4.15%，随后随着用量增加反而出现下降趋势。当污泥蛋白增强剂添加量为1%时，瓦楞原纸的环压指数下降到10.89N·m/g，相对于对照组的环压指数下降0.14%。这可能跟蛋白材料用作增强剂，无法改变影响瓦楞原纸的环压强度的影响因素，因此对环压的增强不显著。

图5 污泥蛋白增强剂添加量对瓦楞纸环压强度的影响

3 结论

污泥蛋白增强剂用作瓦楞原纸的增强，其在瓦楞原纸的耐破度和撕裂度方面都呈现出较好的增强效果。但对瓦楞原纸的主要强度指标:抗张、环压等指标影响不大，因此作为湿部增强剂，污泥蛋白用于瓦楞原纸增强效果并不显著。当污泥蛋白增强剂添加量为1.0%时，瓦楞纸的裂断长、耐破指数和撕裂指数分别为 3.73KM、2.07Kpa m2/g、3.5Nm m2/g，相对对照组增加量分别为3.48%、15.8%、23.34%。

从应用效果上分析，结合以往蛋白类增强剂研究经验，污泥蛋白用作增强剂，必须进行改性处理。

[1]俊莉,邱化玉,孙润仓.明胶接枝共聚物乳液的合成及其对纸张强度的影响[J].林产化学与工业,2006(3):99-103.

[2]王娇,张军.造纸干增强剂的应用现状及研究进展 [J].热固性树脂,2014(3):53-58.

[3]尹覃伟,付时雨,詹怀宇.谷朊蛋白的改性及其作为纸张增强剂的性能[J].应用化学,2008,25(1):27-32.

[4]尹覃伟,付时雨,邓敏,詹怀宇.阳离子谷朊蛋白的改性及应用研究[J].中国造纸,2009,01:8-12.

[5]王帅,崔金玲,刘庆云.大豆蛋白的羧甲基化改性工艺及其对纸张增强性能的影响[J].湖南造纸,2015(3):19-23.

[6]刘庆云.大豆蛋白改性对纸张增强性能的影响[D].青岛科技大学,2015.

[7]陈夫山,刘庆云.大豆蛋白改性技术及其在造纸中的应用研究进展[J].造纸科学与技术,2016,01:54-56.

[8]韩卿,王亚娟,黄文江,等.瓦楞原纸的环压强度及其提高途径[J].中国造纸,2006,25(12):49-53.