瓦楞紙用生物質(zhì)改性淀粉膠黏劑的研制

曹佳樂　姚小鷗　蔡建泉　吳宗華（福建師范大學(xué)　材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建　福州　350007）

?

瓦楞紙用生物質(zhì)改性淀粉膠黏劑的研制

曹佳樂姚小鷗蔡建泉吳宗華
（福建師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州350007）

摘要：以農(nóng)林產(chǎn)品加工剩余物（NJS）為原料制備了新型瓦楞紙用淀粉膠黏劑，并研究NJS的預(yù)處理方法、粒度、替代量對膠黏劑性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)NJS粒度為149 μm，替代量為50%時(shí)，可以達(dá)到很好黏結(jié)效果。

關(guān)鍵詞：農(nóng)林產(chǎn)品加工剩余物（NJS）淀粉膠黏劑瓦楞紙

0　前　言

瓦楞紙是一種應(yīng)用極為廣泛的重要包裝材料。早期瓦楞紙用黏合劑主要是泡花堿膠，但是它本身存在強(qiáng)腐蝕性、涂布量高、耐潮性能差等缺點(diǎn)，現(xiàn)已逐步被淀粉膠黏劑所取代[1]。淀粉分子鏈上有大量的糖苷鍵和羥基，能與很多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并且其本身又有黏結(jié)性能，可作為膠黏劑基材，是可再生的天然高分子材料[2-5]。淀粉膠黏劑具有黏結(jié)強(qiáng)度大、無腐蝕、無污染、不易回潮等優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于單面機(jī)的瓦楞紙生產(chǎn)中[6]。但是淀粉本身也存在價(jià)格偏高，與人爭糧等問題，因此找到一種既環(huán)保又價(jià)格低廉的生物質(zhì)原料來替代淀粉制備膠黏劑是一個(gè)很好的思路，前景廣闊。

本研究通過對農(nóng)林產(chǎn)品加工剩余物（NJS）進(jìn)行預(yù)處理，來用作替代淀粉制備瓦楞紙用膠黏劑，以期得到性能優(yōu)良的新型環(huán)保瓦楞紙用膠黏劑。

1　試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料及藥品

農(nóng)林產(chǎn)品加工剩余物（NJS）分粗、細(xì)兩種，由企業(yè)提供；玉米淀粉，食品級(jí)；α-淀粉酶為市售；氫氧化鈉，碳酸氫鈉均為化學(xué)純。

1.2儀器及設(shè)備

HH-S恒溫水浴鍋，上?？德穬x器設(shè)備有限公司；JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器，鄭州長城科技工貿(mào)有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科技有限公司；100 g多功能粉碎機(jī)，永康市帥通工具有限公司；NDJ-1旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；湘儀H-2050R冷凍離心機(jī)，湖南湘儀試驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司；WZL-300紙張拉力儀，杭州輕通儀器開發(fā)公司。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1膠黏劑乳液的制備

（1）粉末原料的制備。取一定量NJS樣品、酶及氧化劑于燒杯中，加入適量水?dāng)嚢杈鶆?，置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，溫度設(shè)定55 ℃，反應(yīng)1 h，取出部分樣品裝瓶待用。剩余樣品繼續(xù)加入氧化劑、NaHCO3，調(diào)節(jié)溫度至120 ℃反應(yīng)1 h，取出裝瓶待用。按需要可將處理過的NJS樣品粉成149 μm、178 μm等不同粒度。

（2）乳液的制備。將處理過的NJS與玉米淀粉按一定質(zhì)量比混合，加入氧化劑，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的乳液，于45 ℃水浴鍋中反應(yīng)40 min；加入NaOH，升溫至90 ℃，糊化30 min，反應(yīng)結(jié)束。

1.3.2黏度的測定

利用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定乳液黏度。

1.3.3溶解度的測定

將待測樣品配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的溶液，裝入離心管大約2/3處，保證質(zhì)量相當(dāng)，并記錄空管質(zhì)量M0及空管加液體樣品質(zhì)量M1。調(diào)節(jié)冷凍離心機(jī)轉(zhuǎn)速度到3 000 r/min，離心5 min。取出離心管，快速移去上清液，稱量離心管加固體樣品總質(zhì)量M2。最后，計(jì)算樣品溶解度S。

S=1-（M2-M1）/(M1-M0)

1.3.4剝離強(qiáng)度的測定

以瓦楞紙為介質(zhì)，利用WZL-300紙張拉力儀測定紙張剝離強(qiáng)度。

2　結(jié)果與討論

2.1NJS的預(yù)處理方法對膠黏劑性能的影響

在NJS預(yù)處理中，分別采用氧化、酶解、酶解氧化3種方法，考察預(yù)處理方法對膠黏劑性能的影響，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1　不同預(yù)處理方法對剝離強(qiáng)度的影響

圖2　黏度隨時(shí)間變化曲線

由圖1可知，NJS的預(yù)處理方法對剝離強(qiáng)度有所影響，其中酶解、酶解氧化預(yù)處理方法較其他方法的黏結(jié)強(qiáng)度略大，說明酶解法處理NJS更有效果。這是因?yàn)棣?淀粉酶能夠切斷NJS及淀粉分子的長鏈，形成低分子量產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)氧化糊化具有更強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度。

由圖2可知，隨時(shí)間延長，黏度逐漸上升，2 h后基本不變。酶解NJS黏度最大，其他樣品黏度均小于20 mPa·s，黏度太小黏結(jié)強(qiáng)度一般會(huì)更低。所以，本文選用酶解的方法來處理NJS。

2.2α-淀粉酶的加入量對剝離強(qiáng)度的影響

分別加入相對NJS質(zhì)量0% 、0.125% 、0.25%、0.5% 、0.75%的α-淀粉酶，測定紙張剝離強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。

圖3　α-淀粉酶的加入量對剝離強(qiáng)度的影響

由圖3可知，當(dāng)α-淀粉酶加入量小于0.5%時(shí)，紙張剝離強(qiáng)度隨酶加入量的增加變化不大；當(dāng)酶加入量提高到0.75%時(shí)，剝離強(qiáng)度有一定程度下降，可能是因?yàn)檠趸瘯r(shí)氧化劑的作用較淀粉酶更加明顯，掩蓋了α-淀粉酶的作用效果；當(dāng)酶加入量達(dá)到0.75%，淀粉分解過度，導(dǎo)致分子量過低，反而造成黏結(jié)強(qiáng)度下降。酶解后膠黏劑的流動(dòng)性較非酶解好，但黏結(jié)強(qiáng)度相差不大。綜合考慮性能、成本因素，選擇使用原NJS粉末作為淀粉替代物。

2.3NJS粒度對膠黏劑性能的影響

其他條件不變，取用粗NJS、細(xì)NJS、149 μm、178μm等不同粒度NJS，考察NJS粒度對膠黏劑性能的影響，結(jié)果見表1。

表1　NJS粒度對膠黏劑性能的影響

由圖4可知，隨著NJS粒度的減小，紙張的剝離強(qiáng)度有逐漸增大的趨勢。這可能是因?yàn)殡S著粒度增大，NJS的比表面積亦隨之增大，因此在此后氧化糊化過程中，更容易與氧化劑和水接觸，反應(yīng)更加充分，從而黏結(jié)強(qiáng)度隨之增大。同時(shí)，由表1可知149 μm NJS與178 μm NJS溶解度相差不大。因此，后續(xù)試驗(yàn)采用149 μm NJS。

圖4　NJS粒度對剝離強(qiáng)度的影響

2.4NJS替代量對膠黏劑性能的影響

由圖5可知，當(dāng)NJS對淀粉替代量為50%時(shí)，剝離強(qiáng)度可以達(dá)到0.327 kN/m，與純淀粉相近。當(dāng)替代量達(dá)到或超過70%時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)有大幅下降且會(huì)出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象。這是因?yàn)椋琋JS中含有將近40%的纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等非淀粉物質(zhì)，這些物質(zhì)不會(huì)被淀粉酶分解，且本身不具有黏結(jié)性能，會(huì)降低膠黏劑整體的黏結(jié)強(qiáng)度。因此，木薯渣替代量50%為最佳。

圖5　NJS替代量對剝離強(qiáng)度的影響

3　結(jié)束語

（1）NJS經(jīng)簡單粉碎處理即可部分替代淀粉，用作制備瓦楞紙用膠黏劑。

（2）NJS粒度和替代量對膠黏劑性能影響較大，當(dāng)NJS粒度為149 μm，對淀粉替代量為50%時(shí)，膠黏劑體現(xiàn)出良好的黏結(jié)效果。

（3）NJS部分替代淀粉制備瓦楞紙用膠黏劑，性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓春陽,王銳,孫炳新. 冷法H2O2氧化制備瓦楞紙板用淀粉黏合劑及改性研究[J]. 包裝工程,2008,29(7): 33-35.

[2] SANDI A,VEGA J,ALVARADO P. Natural adhesives from novel sources[J].Technical Papers,2008,1(1):589-591.

[3] ANON. Proper methods of measuring starch adhesive Viscosity[R].Tappi Technical Information Papers,2002:123-125.

[4] KIM S,KIM H. Effect of addition of polyvinylacetate to melamine-formaldehyde resin on the adhesin andformaldehyde emission in engineered flooring[J]. International Journal of Adhesion&Adhesives,2005, 12(25):456-461.

[5] SCOPELITIES E,PIZZIA. Urea-resorcinolformaldehyde adhe-sives of low resorcind content[J]. Journal of Applied Polymer Science,2003,48(12):2135-2146.

[6] 歐國勇,楊輝榮,危恒毅. 冷法快干型氧化淀粉膠黏劑的研制[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,18(4):77-80.

曹佳樂（1989—）男碩士研究生，福建師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；主要從事生物質(zhì)膠黏劑的研制工作.

聯(lián)系電話：18149560212郵箱：1187018186@qq.com

吳宗華（1957—）男教授，主要從事高分子界面科學(xué)及森林生物質(zhì)深加工研究。

郵箱：wuzonhua@fjnu.edu.cn

PreParation of Biomass Modified Starch Adhesive for Corrugated Board

CAO Jiale，YAO Xiaoou，CAI Jianquan ，WU Zonghua
（College of Chemistry and Chemical Engineering Fujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350007 China）

Abstract：The new type starch adhesive for corrugated board was prepared with agricultural and forestry residues （NJS），and the effects of pretreatment method，granularity，substitutiona on adhesive properties were studied in this paper. The results show that when the NJS granularity is 149 μm，the substitutiona is 50% ，bond strength can get satisfied effect.

Keywords：agricultural and forestry residues；starch adhesive；corrugated Board

通訊作者：

作者簡介：