微生物多糖改善高透濾棒成形紙強度性能的研究

楊 揚 王 浩 朝魯門 鄭 晗 劉群華謝 姣 劉 文，* 白媛媛

（1.中國制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102；3.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明，650231）

濾棒成形紙在卷煙過濾嘴結(jié)構(gòu)中處于醋酸纖維絲束芯和外層接裝紙之間，主要分為普通型和高透型。高透濾棒成形紙（簡稱高透成形紙）一般是指透氣度高于3000 CU的濾棒成形紙[1]。卷煙濾嘴棒中采用高透成形紙可稀釋煙氣，大幅降低卷煙焦油量，起到降焦減害的作用。為了達(dá)到較高的透氣度，高透成形紙所用紙漿打漿度較低，但較低的打漿度導(dǎo)致紙張的強度性能較差，從而使紙機生產(chǎn)加工嘴棒時掉毛現(xiàn)象嚴(yán)重、易斷紙，影響生產(chǎn)效率和嘴棒產(chǎn)品質(zhì)量，因此，需要利用增強劑來增加紙張的強度。為保持高透成形紙較高的透氣度，所用增強劑應(yīng)盡量不影響紙張透氣度。通常采用淀粉等多糖類物質(zhì)改善紙張強度，微生物多糖也屬于多糖類物質(zhì)中的一種，是利用生物技術(shù)開發(fā)的新型發(fā)酵產(chǎn)品，是細(xì)菌、真菌和藍(lán)藻等微生物在代謝過程中產(chǎn)生的對微生物有保護作用的生物高聚物[2]。近年來，針對微生物多糖的研究開發(fā)及創(chuàng)新應(yīng)用日益增加并逐步深入。目前已大量投產(chǎn)的微生物多糖有黃原膠、結(jié)冷膠、普魯蘭多糖（短梗霉多糖）、葡聚糖等。其中，部分微生物多糖在煙草工業(yè)也有所應(yīng)用，如普魯蘭多糖、普魯蘭多糖復(fù)配物或衍生物在卷煙煙絲加工過程中以加料的方式進(jìn)行添加，具有增加煙絲芳香，降低卷煙干燥感，延長煙支變干期的作用[3-5]。微生物多糖的結(jié)構(gòu)中含有較多的羥基，理論上能夠與纖維結(jié)合增加紙張的強度。本研究將黃原膠、普魯蘭多糖、葡聚糖和α-環(huán)糊精4種微生物多糖用于高透成形紙的制備，探索微生物多糖在高透成形紙中的應(yīng)用，分析多糖種類、添加方式、用量對不同打漿度及不同透氣度紙張性能的影響，優(yōu)選出對透氣度影響較小且改善強度性能較好的微生物多糖及處理工藝。

1 實 驗

1.1 實驗原料

纖維原料：漂白硫酸鹽針葉木漿A，漂白硫酸鹽針葉木漿B，絲光化針葉木漿，黏膠纖維。

助劑：黃原膠，河南豫興生物科技有限公司；普魯蘭多糖、葡聚糖、α-環(huán)糊精，上海阿拉丁試劑有限公司。

1.2 實驗儀器及設(shè)備

Vally打漿機、快速紙頁成型器，奧地利PTI公司；轉(zhuǎn)鼓式干燥器，日本KRK公司；電腦測控抗張強度試驗機，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司；透氣度測量儀，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所；厚度儀，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 漿料的準(zhǔn)備

將漂白硫酸鹽針葉木漿板用水浸泡、撕碎，然后用Vally打漿機疏解、打漿備用。取部分漿料用纖維分析儀測定纖維長度、寬度及平均形態(tài)因子等特性。

1.3.2 微生物多糖的溶解

量取一定量的水置于容器中，開啟攪拌器，在攪拌的條件下分別緩慢加入微生物多糖，使其完全溶解，根據(jù)這4種微生物多糖的特性分別配制不同濃度的溶液備用。

1.3.3 高透成形紙的制備

漿內(nèi)添加微生物多糖：將微生物多糖溶液添加至紙漿懸浮液中，攪拌混合均勻后，用快速紙頁成型器抄紙，濕紙幅用轉(zhuǎn)鼓式干燥器干燥，紙張定量為25 g/m2。

表面浸漬微生物多糖：打漿后的紙漿用快速紙頁成型器抄紙，濕紙幅用轉(zhuǎn)鼓式干燥器干燥制得高透成形紙原紙，原紙在不同濃度的微生物多糖溶液中浸漬，得到不同上膠量的高透成形紙，浸漬后的紙張經(jīng)施膠壓榨輥擠壓后用轉(zhuǎn)鼓式烘缸進(jìn)行干燥，定量為25 g/m2。

1.3.4 紙張性能的測定

測定制備的高透成形紙的定量、緊度、抗張強度、抗張能量吸收和透氣度，抗張強度和抗張能量吸收按照GB/T 12914—2018規(guī)定進(jìn)行測定，透氣度及透氣度變異系數(shù)按照YC/T 172—2002進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同纖維原料對紙張性能的影響

選用漂白硫酸鹽針葉木漿A和漂白硫酸鹽針葉木漿B 2種紙漿原料分別抄紙，測定不同打漿度漿料抄造紙張的抗張強度、抗張能量吸收和透氣度等性能，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在相近的打漿度時，2種針葉木漿相比，針葉木漿B的紙張不僅透氣度高且抗張強度和抗張能量吸收也較高，這與2種針葉木漿的纖維形態(tài)特性有關(guān)，2種針葉木漿纖維分析結(jié)果見表2。從表2可知，針葉木漿B比針葉木漿A的纖維更長更寬，且平均形態(tài)因子較小，扭結(jié)角相對較高，表明針葉木漿B比針葉木漿A纖維稍彎曲，這些性能有利于賦予紙張較高的透氣度。2種針葉木漿抄紙結(jié)果表明，針葉木漿B更適于制備高透成形紙，后續(xù)研究主要以針葉木漿B為原料抄紙。

表1 2種針葉木漿的紙張性能Table 1 Physical properties of different paper made from two kinds of softwood pulp

表2 2種針葉木漿纖維分析結(jié)果Table 2 Fiber properties of two kinds of softwood pulp

2.2 4種微生物多糖漿內(nèi)添加對紙張性能的影響

以打漿度為18°SR的針葉木漿B為纖維原料，將黃原膠、普魯蘭多糖、葡聚糖和α-環(huán)糊精4種微生物多糖在漿內(nèi)添加，4種微生物多糖的用量分別為1%、3%、5%、7%、10%（相對于絕干漿質(zhì)量），測定成紙的強度性能和透氣度，結(jié)果如圖1～圖3所示。

從圖1～圖3可以看出，漿內(nèi)分別添加4種微生物多糖后，紙張的透氣度均無明顯變化，幾種紙張的抗張強度、抗張能量吸收對比，添加不同量黃原膠、葡聚糖和α-環(huán)糊精的紙張強度與未添加多糖的紙張相比變化不大，當(dāng)黃原膠、葡聚糖和α-環(huán)糊精的用量高達(dá)10%時，紙張抗張強度分別為1.05、1.05和1.11 kN/m，與未添加多糖紙張的抗張強度1.04 kN/m相當(dāng)。添加普魯蘭多糖的紙張，隨著普魯蘭多糖用量的增加，其抗張強度和抗張能量吸收呈增加趨勢，但增加幅度不明顯，僅當(dāng)普魯蘭多糖的用量為10%時，紙張的抗張強度和抗張能量吸收才有較明顯的增加，分別為1.27 kN/m和13.9 J/m2，與未添加多糖的紙張相比，抗張強度和抗張能量吸收分別增加了22.1%和19.8%，普魯蘭多糖對紙張的增強效果優(yōu)于其他3種微生物多糖。

圖1 微生物多糖用量對紙張抗張強度的影響Fig.1 Effect of microbial polysaccharide dosage on tensile strength of paper

圖2 微生物多糖用量對紙張抗張能量吸收的影響Fig.2 Effect of microbial polysaccharide dosage on tensile energy absorption of paper

圖3 微生物多糖用量對紙張透氣度的影響Fig.3 Effect of microbial polysaccharide dosage on air permeability of paper

總體來看，微生物多糖漿內(nèi)添加對高透成形紙的強度并未產(chǎn)生明顯的改善作用，普魯蘭多糖增強效果相對較好，但普魯蘭多糖需要在較高的用量下才會發(fā)揮出一定的增強效果。這可能是因為這4種微生物多糖為非離子多糖，在漿內(nèi)添加后大多不能直接吸附在纖維表面，抄紙成形過程中紙幅中多糖的留著率低，導(dǎo)致增強效果不明顯。

2.3 4種微生物多糖浸漬處理對紙張性能的影響

以打漿度18°SR的針葉木漿B為原料制備原紙，然后分別用4種微生物多糖浸漬原紙，改變微生物多糖浸漬液的濃度，以獲得不同上膠量的高透成形紙，分別測定浸漬不同微生物多糖后紙張的強度性能和透氣度，并與相同定量的未浸漬紙張性能進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 微生物多糖浸漬紙張抗張強度性能Fig.4 Tensile strength of paper impregnated with four microbial polysaccharides

圖5 微生物多糖浸漬紙張抗張能量吸收Fig.5 Tensile energy adsorption of paper impregnated with four microbial polysaccharides

圖6 微生物多糖浸漬紙張透氣度性能Fig.6 Air permeability of paper impregnated with four microbial polysaccharides

實驗所用的4種微生物多糖在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，黃原膠溶液的黏度最大，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，黃原膠溶液的黏度高達(dá)1000 mPa·s以上，其他3種多糖溶液的黏度均低于50 mPa·s。黃原膠具有在很低濃度時呈現(xiàn)高黏度的特性，當(dāng)黃原膠浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時浸漬處理操作較為困難，所以本課題在研究不同濃度的黃原膠浸漬液對高透成形紙性能的影響時，所用黃原膠溶液的濃度均≤0.5%，其他微生物多糖浸漬液的濃度范圍為1%～10%，因此黃原膠浸漬紙張的上膠量較其他多糖低。

從圖4和圖5可以看出，黃原膠、葡聚糖浸漬后紙張的抗張強度和抗張能量吸收隨著上膠量增加變化不大，具有較高的上膠量的紙張強度性能也與未浸漬紙張相當(dāng)。浸漬α-環(huán)糊精紙張的強度性能在上膠量較高時才稍有改善，當(dāng)上膠量為3.40 g/m2時，紙張的抗張強度和抗張能量吸收分別為1.23 kN/m和13.6 J/m2，與未浸漬紙張相比，抗張強度和抗張能量吸收分別增加了18.3%和16.2%。用普魯蘭多糖浸漬后，紙張的抗張強度和抗張能量吸收隨上膠量的增加呈現(xiàn)先顯著增加后穩(wěn)定的趨勢，當(dāng)上膠量為1.97 g/m2時，紙張的抗張強度和抗張能量吸收分別為1.75 kN/m和23.8 J/m2，相比未浸漬紙張，抗張強度和抗張能量吸收分別增加了68.3%和103.4%，強度性能增加明顯。從圖6可以看出，4種微生物多糖浸漬處理均對紙張的透氣度無明顯影響，相比未浸漬紙張，透氣度降低值均低于10%。

4種微生物多糖中，黃原膠是含有支鏈的多糖，主鏈為2個β-1,4-苷鍵連接的葡萄糖，支鏈含有2個甘露糖和1個葡萄糖醛酸基元，相對分子質(zhì)量為100萬～2000萬[2]，實驗所用多糖中黃原膠的相對分子質(zhì)量最高；普魯蘭多糖是葡萄糖按α-1,4-糖苷鍵結(jié)合成麥芽三糖，兩端再以α-1,6-糖苷鍵同另外的麥芽三糖結(jié)合，如此反復(fù)連接而成的高分子多糖，相對分子質(zhì)量為2萬～200萬[6]；葡聚糖是由數(shù)個葡萄糖分子聚合而成的低聚糖，具有支鏈結(jié)構(gòu)，實驗所用葡聚糖主鏈由α-1,6-糖苷鍵連接，支鏈含1,2、1,3、1,4-糖苷鍵連接，實驗用葡聚糖的相對分子質(zhì)量為2萬；α-環(huán)糊精是由6個葡萄糖單元以1,4-糖苷鍵連接的環(huán)狀低聚糖化合物，相對分子質(zhì)量為973，在所用的4種微生物多糖中相對分子質(zhì)量最低。這4種多糖對高透成形紙強度性能改善作用的差異可能與多糖的組成結(jié)構(gòu)、空間位阻及相對分子質(zhì)量密切相關(guān)，普魯蘭多糖的分子結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量可能更有利于其在纖維表面的吸附，有助于多糖分子之間的結(jié)合及多糖與纖維的結(jié)合，從而改善紙張的強度。

2.4 普魯蘭多糖浸漬處理對不同打漿度漿料紙張性能的影響

用打漿度為15°SR、18°SR、21°SR針葉木漿B抄紙，然后用不同濃度的普魯蘭多糖分別進(jìn)行浸漬處理，測定浸漬后紙張的強度和透氣度性能，考察普魯蘭多糖對不同打漿度紙漿制備的高透成形紙性能的影響，并與相同定量的未浸漬紙張性能進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 普魯蘭多糖上膠量對不同打漿度紙張抗張強度的影響Fig.7 Effect of pullulan content on tensile strength of paper with different beating degree

圖8 普魯蘭多糖上膠量對不同打漿度紙張抗張能量吸收的影響Fig.8 Effect of pullulan content on tensile energy adsorption of paper with different beating degree

圖9 普魯蘭多糖上膠量對不同打漿度紙張透氣度的影響Fig.9 Effect of pullulan content on air permeability of paper with different beating degree

從圖7和圖8可以看出，隨著普魯蘭多糖上膠量的增加，不同打漿度紙張的抗張強度和抗張能量吸收均呈現(xiàn)增加的趨勢，18°SR和21°SR的紙張浸漬不同濃度普魯蘭多糖后抗張強度和抗張能量吸收值較為接近，均高于15°SR紙張的強度數(shù)值，當(dāng)上膠量較高時（約3.0 g/m2），3種不同打漿度的紙張抗張強度和抗張能量吸收趨于一致。當(dāng)普魯蘭多糖上膠量在3.0 g/m2左右時，3種紙張抗張強度分別為1.59、1.76和2.01 kN/m，比未浸漬紙張分別增加了69.9%、69.2%和67.5%，紙張抗張能量吸收分別為19.4、23.0和23.5 J/m2，比未浸漬紙張分別增加了98.6%、96.6%和72.8%。從圖9可以看出，隨著打漿度的增加，紙張透氣度明顯降低，打漿度為15°SR時紙張透氣度高于10000 CU，打漿度增加至21°SR時紙張的透氣度降至6000 CU以下。隨著普魯蘭多糖上膠量的增加，不同打漿度紙張的透氣度均無明顯變化，當(dāng)上膠量約3.0 g/m2時，3種紙張透氣度比未浸漬紙張分別降低了7.03%、11.6%和5.53%。

2.5 普魯蘭多糖對透氣度20000 CU高透成形紙強度性能的影響

根據(jù)相關(guān)研究[7-9]，絲光漿成紙具有很高的透氣度，且絲光漿能改善卷煙抽吸時的雜氣，紙張中黏膠纖維的添加也會增加紙張的松厚度和孔隙率，從而增加透氣度，但絲光漿和黏膠纖維均不利于紙張強度性能。采用18°SR針葉木漿B分別與絲光漿和黏膠纖維配抄，制備透氣度為20000 CU的高透成形紙，分析普魯蘭多糖對20000 CU高透氣度的紙張強度性能和透氣度的影響，結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 普魯蘭多糖上膠量對絲光漿和黏膠纖維配抄紙張抗張強度的影響Fig.10 Effect of pullulan content on tensile strength of paper containing mercerized pulp or viscose fiber

圖11 普魯蘭多糖上膠量對絲光漿和黏膠纖維配抄紙張抗張能量吸收的影響Fig.11 Effect of pullulan content on tensile energy adsorption of paper containing mercerized pulp or viscose fiber

圖12 普魯蘭多糖上膠量對絲光漿和黏膠纖維配抄紙張透氣度的影響Fig.12 Effect of pullulan content on air permeability of paper containing mercerized pulp or viscose fiber

從圖10和圖11可知，絲光漿和黏膠纖維配抄的紙張初始抗張強度均為0.70 kN/m左右，抗張能量吸收為6.70 J/m2，強度性能較差。浸漬普魯蘭多糖后，隨著上膠量的增加，抗張強度和抗張能量吸收均呈線性增加的趨勢，含有黏膠纖維的紙張強度性能改善更為明顯，尤其是抗張能量吸收增加幅度較大。當(dāng)上膠量達(dá)2.7 g/m2時，含絲光漿紙張的抗張強度和抗張能量吸收分別達(dá)1.35 kN/m和14.1 J/m2，比未浸漬紙張分別增加了96.5%和112.0%；含黏膠纖維紙張的抗張強度和抗張能量吸收分別達(dá)1.60 kN/m和23.2 J/m2，比未浸漬紙張分別增加了126.0%和243.7%。從圖12可以看出，浸漬普魯蘭多糖后，含絲光漿和含黏膠纖維的紙張透氣度隨著上膠量的增加均未發(fā)生明顯變化。由此可知，浸漬普魯蘭多糖可有效改善含絲光漿和含黏膠纖維的高透氣度濾棒成形紙的強度性能，且不影響紙張的高透氣度。

3 結(jié) 論

3.1 黃原膠、普魯蘭多糖、葡聚糖和α-環(huán)糊精4種微生物多糖用于改善高透成形紙性能，普魯蘭多糖對改善紙張強度的效果明顯優(yōu)于其他3種微生物多糖，浸漬處理的方式比漿內(nèi)添加更加有效，且普魯蘭多糖浸漬處理對紙張的透氣度無明顯影響。

3.2 用普魯蘭多糖浸漬打漿度為15°SR、18°SR、21°SR針葉木漿B制備的紙張，隨著普魯蘭多糖上膠量的增加，紙張的抗張強度和抗張能量吸收均呈增加的趨勢，透氣度變化不明顯，浸漬普魯蘭多糖能在不改變紙張透氣度情況下明顯改善不同打漿度紙張的強度性能。當(dāng)普魯蘭多糖上膠量約3.0 g/m2時，15°SR、18°SR、21°SR紙張抗張強度分別比未浸漬紙張增加了69.9%、69.2%和67.5%，紙張抗張能量吸收比未浸漬紙張增加了98.6%、96.6%和72.8%。

3.3 分別用絲光漿和黏膠纖維與打漿度18°SR針葉木漿B配抄，可制備透氣度約20000 CU的高透成形紙，普魯蘭多糖能明顯改善此類高透氣度成形紙的強度性能且對透氣度無明顯影響。當(dāng)上膠量達(dá)到2.7 g/m2時，含絲光漿紙張的抗張強度和抗張能量吸收比未浸漬紙張分別增加了96.5%和112.0%；含黏膠纖維紙張的抗張強度和抗張能量吸收比未浸漬紙張分別增加了126.0%和243.7%。