高分子成膜剂在酶转化淀粉表面施胶中的应用研究

李 洲

（广东冠豪高新技术股份有限公司，湛江524072）

随着经济与科技发展，对票据用纸的表面强度与印刷性能要求越来越高。为提高票据用纸的表面强度与印刷性能，表面施胶成为造纸企业的广泛选择。 相比浆内施胶，表面施胶可以几乎全部留在纸上，从而提高施胶剂的利用率，而且施胶效果明显，成本低廉，可操作性强，能够显著改善纸页的表面性能；此外，表面施胶方式还可以减少浆内施胶剂用量， 降低浆内施胶剂对机器的腐蚀性等不良影响，延长设备使用寿命。 因为表面施胶具有以上诸多优点，因此越来越多地被应用于提高纸张性能的生产实践中[1-3]。

目前， 造纸行业常用的表面施胶剂主要有淀粉类、纤维素衍生物、动物胶、聚乙稀醇、聚丙稀酰胺、合成胶乳等。 由于淀粉类施胶剂强度高、质量轻、无腐蚀、无污染，并且来源广泛、价格低廉，因此成为目前使用最多的一类表面施胶剂[4]。

对于高浓度、低黏度特征的淀粉施胶液，因其有助于降低蒸发能耗、 减少施胶过程中由再润湿导致的断头次数，在造纸生产应用中有实际的意义[5]。 酶转化淀粉用于表面施胶具有胶液黏度低、流动性好、透明度较高的优点，其不但可以吸附在纸面上，还可以向纸内渗透，提高纤维结合力，改善成纸的表面强度、外观和印刷性能[6]。

李丹等[6]的研究结果表明，1 t 酶转化淀粉的成本比商品表面施胶淀粉约低1000 元。 酶转化淀粉的成本低于综合浆价，施胶量越高，成本下降越多；施胶量提高后， 由于表面强度、 挺度等质量指标上升，可进一步增加填料用量，提高灰份，从而提高成纸表面整饰性能，改善纸面平整性和细腻程度。齐云洹等[7]的研究结果表明，与使用氧化淀粉相比，酶转化淀粉用于无碳复写纸原纸的表面施胶， 成纸的纵向挺度增加约30 mN·mm， 表面强度增加约0.1 m/s，吨纸成本可降低53.5 元。 李绍绥等[8]的研究结果表明，高浓度、低黏度的酶转化淀粉液用于瓦楞原纸表面施胶，可使环压指数提高97.9%～155%。

但是， 提高表面施胶淀粉胶液的固含量会带来一些问题：（1）随着淀粉液固含量提高，黏度相应提高，施胶量也会难以控制；（2）为降低黏度，通常会加大淀粉酶用量， 导致淀粉成膜性变差， 成纸质量变差；（3）固含量提高，淀粉胶液的渗透性变差，难以渗透进入纸页内部，造成纸品质量波动。 因此，考虑在高固含量条件下，加大淀粉酶用量的同时，添加成膜剂，以提高表面施胶质量。高分子成膜剂本身具有良好的自成膜性， 可以将短链淀粉链接形成稳定空间立体结构。 这种结构具有良好的流动性、渗透性，从而保障淀粉液具有良好施胶效果。

1 实验

1.1 实验原料

玉米原淀粉，广东佛山某厂；淀粉酶，市售，最佳反应条件80 ℃，pH=5～6；高分子成膜剂，广东东莞某化工厂提供；未施胶原纸，公司自产。

1.2 实验仪器和方法

1.2.1 实验仪器

DV-Ⅱ+Pro 型黏度计（美国Bookfield 公司）；Phenom Pro 型扫描电镜（荷兰Phenom-World 公司）；MX-50 型快速水分测定仪（美国A&D 公司）；HH-2型水浴锅（常州澳华仪器有限公司）；500 series 型光密度仪（美国X-Rite 公司）；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）。

1.2.2 实验方法

（1）酶转化淀粉制备：配制设定固含量的淀粉悬浮液，调节pH 值，迅速加入一定量的淀粉酶，后移入80 ℃水浴，反应至设定时间后取出，于95 ℃下灭活，以中止酶解反应。 所得产物为透明黏性液体，可直接用于表面施胶。

（2）黏度测定：使用黏度计测定酶转化淀粉液黏度，测定温度为50 ℃。

（3）原纸表面施胶：采用实验室制得的酶转化淀粉为表面施胶剂，采用未施胶原纸手工涂布。

（4）成膜性检测：采用扫描电镜观察纸面淀粉层成膜性。

（5）印刷性能检测：采用喷墨打印机分别打印蓝码、黑码，然后与标准打印码的分级效果对比，评判打印等级。 采用光密度仪检测打印色块的黑度值。

（6）表面强度检测：实验室采用简易方法检测，采用3M 胶带粘贴在经表面施胶处理的纸表面。 轻压，然后适度用力匀速将胶带与纸面分离，观察胶带残留的粉尘和纸毛情况。

2 结果与分析

2.1 酶用量对淀粉液性能影响

淀粉液按照25%的固含量配制， 酶反应时间固定为20 min。 高分子成膜剂用量按照0、5%、10%添加，淀粉酶用量分别按照0.01%、0.02%、0.03%、0.04%加入，按照1.2.2 节的方法制备酶转化淀粉液，冷却至50 ℃后检测黏度，结果如图1 所示。 成膜剂与淀粉酶用量均以相对于淀粉绝干质量计。当酶用量从0.01%增至0.02%时，淀粉液黏度快速下降，酶用量继续增加到0.04%时，黏度下降速度变缓。相同酶用量条件下，随着高分子成膜剂用量增大，淀粉液黏度也呈逐渐增大趋势。 为保证淀粉液在高固含量条件下具有好的流动性、成膜性和渗透性，综合考虑，高分子成膜剂用量选定10%，淀粉酶用量选定0.04%。

图1 不同高分子成膜剂用量下淀粉液黏度随酶用量变化

2.2 酶反应时间对淀粉液性能影响

淀粉液按照25%固含量配制，高分子成膜剂用量为10%，淀粉酶用量为0.04%。酶反应时间分别按照10、20、30 和40 min 控制， 按照上述方法制备酶转化淀粉液，冷却至50 ℃后检测黏度，结果如图2所示。

图2 酶反应时间对淀粉液黏度的影响

从图2 可以看出：酶反应时间从10 min 延长到20 min 时，淀粉液黏度快速下降，继续延长酶反应时间，淀粉液黏度下降趋势变缓。 综合考虑，选定酶反应时间20 min 为宜。

2.3 高分子成膜剂对淀粉液施胶成膜性的影响

按照表1 中工艺条件分别配制所述酶转化淀粉液，冷却至50 ℃后检测黏度。 经表面施胶处理后制样(施胶量按照8 g/m2控制)，采用扫描电镜在800 倍放大条件下观察纸面成膜情况，结果如图3所示。

从图3 的扫描电镜图像可以看出： 在未施胶原纸表面可以明显观察到纤维分布。 1#方案施胶处理后，纸面成膜性较差，不够平滑。 2#方案施胶处理后，纸面光滑，成膜性较好，但是容易出现裂口。 3#施胶处理后，纸面光滑，成膜性好。 结果表明，在提高酶转化淀粉固含量至25%前提下， 添加10%高分子成膜剂有利于提高淀粉成膜性，改善施胶质量。由于3#方案中高分子成膜剂的存在， 有利于短链淀粉链接成为稳定空间立体结构，从而提高了淀粉层成膜性。

表1 不同淀粉液配制条件对淀粉液黏度影响

图3 表面施胶处理后纸面扫描电镜图像

2.4 高分子成膜剂对淀粉液施胶后纸页印刷性能和表面强度的影响

用2.3 节三个方案制得的酶转化淀粉液分别对原纸表面施胶处理，施胶量按照2 g/m2控制。 按实验方法对纸样进行印刷和表面强度性能测试， 测试结果如表2 所示。

表2 不同淀粉液配制条件对淀粉液施胶印刷和表面强度影响

根据表2 检测结果可以看出： 采用3#方案制得的酶转化淀粉液施胶后，纸页印刷性能较好。 相比2#方案，添加10%高分子成膜剂后，蓝码印刷性能有明显提高，黑码印刷效果与黑度值没有明显变化。 将酶转化淀粉固含量由15%提高至25%时， 施胶后纸面表面强度明显提高；添加高分子成膜剂后，经施胶处理纸面表面强度进一步提高。说明添加高分子成膜剂对淀粉成膜性有提升，有利于提高纸面表面强度。

3 结论

通过实验确定了高分子成膜剂在酶转化淀粉表面施胶应用中的优化条件，即当淀粉液按照25%固含量配制，酶反应时间20 min，高分子成膜剂用量按照10%添加，淀粉酶用量0.04%时，淀粉液黏度较理想，继续延长反应时间，淀粉液黏度变化不大；此时酶转化淀粉的成膜性好，经表面施胶处理后，纸面印刷性能和表面强度均有明显提高。