聚乙二醇分子量和用量对淀粉浆膜性能的影响

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(安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000)

淀粉作为一种天然高分子聚合物，因具有价格低廉[1]、来源广泛[2]、环境友好等优点，已广泛应用于纺织[3]、造纸[4]等领域.然而，淀粉中存在众多氢键和脱水葡萄糖环状结构，促使淀粉大分子链刚性强，分子间作用力高，导致形成的淀粉膜脆硬[5]、力学性能差.而在纺织经纱上浆工序中，淀粉是以淀粉浆膜的形态粘附于经纱表面，起到保护经纱的作用[6].而淀粉浆膜的力学性能差，必然会造成浆膜破碎脱落，产生落浆和降低对经纱保护作用的问题，严重影响浆纱质量[7].因此，解决淀粉膜脆硬的缺陷，改善其浆膜的力学性能，对提高其应用效果具有关键性作用.

在经纱上浆中，通常情况下需添加聚乙烯醇( PVA)来提高淀粉的使用效果.过多的使用PVA会导致成本增多和环保问题.实践表明，极性增塑剂与淀粉共混可以改善淀粉浆膜的力学性能[8]，将有助于减少不利于环保的PVA使用量.因此，选用聚乙二醇(PEG)这种极性增塑剂.由于目前在经纱上浆领域中，关于PEG分子量对淀粉浆膜的增塑作用如何尚无明确结论，为此，通过实验来考察PEG分子量对淀粉浆膜增塑效果的差异性，优选出增塑效果相对优异的PEG品种，调查这种增塑剂质量比对淀粉浆膜力学性能的影响规律，为纺织经纱上浆中合理使用PEG以保障淀粉膜的应用效果奠定基础.

1 实验部分

1.1 原材料与试剂

淀粉为玉米淀粉，食品级，山东恒仁工贸有限公司生产；氢氧化钠，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产；PEG200、PEG400、PEG600、PEG800、无水甲醇、盐酸、无水乙醇，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司生产.

1.2 淀粉浆液粘度热稳定性测定

玉米淀粉使用前参见文献[9]的方法使用盐酸对其进行酸解降粘处理，制得酸解淀粉(HS).将干重为24 g的HS分散到含有增塑剂的蒸馏水中，配成质量分数为6%的淀粉乳，搅拌下水浴加热至95 ℃保温，在保温1～3 h范围内每隔0.5 h使用NDJ-79型粘度计测试一次浆液粘度，共测试5次.粘度热稳定性按式(1)计算.

(1)

式中，Vmax和Vmin分别为5次测试中粘度的最大值和最小值；V为95 ℃保温1 h测试的粘度值.

1.3 淀粉浆膜的制备

精确称取干重为24 g的HS和一定量的增塑剂，使用蒸馏水配制成质量分数为6%的淀粉乳液，搅拌均匀后移入四口烧瓶中，水浴搅拌下升温至95 ℃，保温1 h后参照文献[10]的方法将淀粉浆液浇注到夹有聚酯框并铺有聚酯膜的玻璃板上，并用钢尺刮涂浆液使其铺满整个聚酯框，缓慢干燥成膜，成膜后裁成规定尺寸的长条状试样备用.

1.4 性能测试

力学性能测试．将条状试样(长×宽：200 mm×10 mm)在YG065H型电子织物强力试验仪(莱州市电子仪器有限公司)上进行力学性能测试.测试参数：夹头间距为100 mm，拉伸速度为50 mm/min，每种试样测试20次，并计算剔除异常数据后的平均值.淀粉浆膜的断裂强度(Q)参照式(2)进行计算.

(2)

式中，F为膜的平均断裂强力，N；T为膜的平均厚度.

吸湿性测试.使用回潮率来评价淀粉浆膜吸湿性，测试方法如下：准确称取称量瓶的重量，记为w1，称取称量瓶和浆膜试样的总重量记为w2，称重后将它们放置于温度设定为105 ℃的鼓风干燥箱中烘至衡重，干燥器中冷却后称取它们的重量记为w3，每种淀粉浆膜样品均测试3次，并取其平均值.淀粉膜的回潮率(Mr)计算参照式(3)进行.

(3)

2 结果与讨论

2.1 PEG分子量的影响

PEG分子量对淀粉浆膜力学性能的影响如图1所示.由图1可知，在PEG对淀粉用量10%条件下，不同分子量的PEG均能够改善淀粉浆膜的力学性能，使其断裂伸长率增加，断裂强度降低，对淀粉浆膜起到了一定的增塑作用；随着PEG分子量的增大，断裂伸长率呈现先增加后降低的趋势；PEG400的断裂伸长率最高，表明PEG400的增塑作用相对最优异.

图1 PEG分子量对淀粉浆膜力学性能的影响

图2 PEG对淀粉浆料增塑作用的机理图

PEG对淀粉浆膜的增塑作用原理如图2所示.由图2可知，PEG分子可以进入淀粉大分子链之间，增大了淀粉分子链间的距离，降低了淀粉分子链间的有规律排列；其次，PEG分子中的非极性部分对淀粉中的极性部分能够产生屏蔽作用，阻碍淀粉分子中的氢键作用；最后，PEG和淀粉大分子中均含有羟基，相互间可以缔合形成氢键，减少淀粉分子链间的氢键数量，降低分子间作用力，从而减弱淀粉分子间的定向排列聚集程度，使淀粉大分子链段具备相对滑动性，起到减弱淀粉浆膜脆硬性，增强其韧性的作用.

随着PEG分子量的增加，PEG分子链的长度逐渐增大，PEG分子链通过上述的综合作用，使淀粉膜的断裂伸长率增加.然而，随着PEG分子链长度的继续增大，过长的分子链不利于PEG插入到淀粉分子链间，致使屏蔽作用降低、增塑效果减小；另一方面，随着PEG分子链长度的增加，PEG的吸湿性降低，致使淀粉浆膜的吸湿性随着PEG分子量的增加而降低，吸湿率的降低通过测试淀粉浆膜的回潮率进行了验证，如图3所示.由图3可知，随着PEG分子量的增加，浆膜的回潮率逐渐降低，膜中所含水分也相应减少.而水是淀粉膜的一种良好增塑剂[11]，因而，随着PEG分子量的增加，使PEG通过吸水而对淀粉膜起到的增塑作用随之降低.这3个影响因素共同作用使得淀粉浆膜的断裂伸长率随着PEG分子量的增大，呈现先增加后降低的趋势.

为了在经纱上浆中获得令人满意的上浆效果，淀粉需要拥有稳定的粘度[12].因此，研究评价淀粉中加入不同分子量PEG后对淀粉浆液粘度热稳定性的影响，结果如图4所示.由图4可见，淀粉中混入PEG后，并没有对淀粉浆液的粘度热稳定性产生负面作用，反而使得淀粉浆液的粘度热稳定性得到了一定的提高.这是因为加入的PEG能够插入并存在于淀粉分子链间，减缓了剪切作用对淀粉分子链的破坏，从而降低淀粉浆液的粘度波动率，提高其粘度热稳定性.另外，加入不同分子量的PEG后，浆液的粘度热稳定性差别不大.

通过上述研究可以发现，PEG400对淀粉的增塑作用优于其他分子量的PEG.因此，选择PEG400进行用量对淀粉浆膜力学性能影响的相关研究.

图3 PEG分子量对淀粉浆膜回潮率的影响图4 PEG分子量对淀粉浆液粘度热稳定性的影响

2.2 PEG400用量的影响

PEG400用量对淀粉浆膜力学性能的影响如图5所示.由图5可以看出，随着PEG400对淀粉用量的增加，淀粉浆膜的断裂强度降低，断裂伸长率增加.

随着PEG400对淀粉用量的增加，它与淀粉羟基间所形成的氢键数量逐渐增多，使淀粉分子链间的氢键数量逐渐减少；其次，存在于淀粉分子链间的PEG分子对淀粉分子链的规则排列存在着一定的干扰作用，且这种干扰作用随着用量的增加而增强.显而易见，氢键数量减少及干扰作用的增强使淀粉分子链间作用力逐渐降低，从而使淀粉浆膜的断裂强度降低，断裂伸长率提高，对浆膜起到了增塑作用.此外，PEG400的吸湿性使淀粉膜的回潮率增加(见图6)，也是PEG用量增加使淀粉浆膜断裂伸长率提高、强度降低的一个重要影响因素.

图5 PEG400用量对淀粉浆膜力学性能的影响图6 PEG400用量对淀粉浆膜回潮率的影响

3 结论

在PEG对淀粉用量10%条件下，不同分子量PEG均能够对淀粉浆膜起到一定的增塑作用，使淀粉浆膜的断裂伸长率提高，断裂强度降低；随着PEG分子量的增加，淀粉浆膜的断裂伸长率呈现先增加后降低的趋势，断裂强度呈现与之相反的规律；PEG400的增塑效果最好；添加PEG能够提高淀粉浆液的粘度热稳定性.在PEG400对淀粉用量为4%～16%范围内，随着其对淀粉用量的增加，淀粉浆膜的断裂强度降低，断裂伸长率提高；推荐质量分数为干淀粉质量7%～10%的PEG400来增塑淀粉浆膜，以改善淀粉的上浆质量.

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