CN104195878B - 一种提高改性填料中淀粉利用率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高改性填料中淀粉利用率的方法，包括如下步骤：工业淀粉和填料共混糊化；加入质量分数为0.1%—1.5%的脂肪酸类疏水改性剂溶液；混合物自然降温至30—90℃；加入质量分数为0.25%—5%的磷酸盐类交联剂溶液。相比已有技术，本发明所涉及的改性工艺大大提高了淀粉利用率，具有很好的经济价值和使用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种填料改性工艺，特别涉及一种提高改性填料中淀粉利用率的方法。
背景技术
填料作为纸张中除纤维外最主要的一种造纸原料，它不仅可以降低纸张生产成本，减少对植物纤维的使用量，节约资源，减少环境污染。而且可以改善纸张的平滑度、手感和光学性能，如白度、不透明度。此外，在纸张中加入一定量的填料还可以提高纸张的形稳性和印刷性能。但当纸张中填料的使用量超过一定程度时，尤其是在高加填情况下，纸张的物理强度，如抗张强度、耐破度、撕裂度、表面强度等，都会急剧下降。这大大阻碍了填料在纸张中用量的进一步提高。如何在保证纸张强度同时尽可能提高加填量是目前造纸工作者十分关心的一个课题。如果能够很好解决或缓和纸张强度和加填量这一矛盾关系，将能带来很大的经济价值。
填料表面有机改性是目前减缓加填对纸张强度影响的一种比较有效的方法，也是一热门研究领域。常用有机改性剂有淀粉和淀粉衍生物、纤维素和纤维素衍生物、瓜尔胶、聚丙烯酰胺和壳聚糖等。其主要作用机理是：填料经过有机改性后，吸附或包覆到填料表面的有机改性剂能够与纤维发生氢键结合，一定程度上补偿了因加填而造成纤维之间减少的氢键结合。此外，经过有机改性后的填料往往因有机物的包覆或吸附而使得所制得的改性填料具有更大的粒径及其粒径一致性。粒径的变大，不仅有利于降低填料对纸张强度的影响，而且能够显著提高填料的留着率。工业淀粉作为一种可再生的、环保的自然资源，与其他有机改性剂相比更为廉价而且来源广泛。碳酸钙作为中碱性造纸中一种理想的填料，在造纸填料中应用需求量越来越大。用工业淀粉对碳酸钙进行有机改性是造纸行业较为热门的一门课题。但在工业淀粉改性碳酸钙工艺中，工业淀粉作为亲水性物质，在糊化后有很大一部分溶于水中而非包覆到碳酸钙表面，有效利用率较低。这一方面容易增加白水污染、增加白水处理的困难程度，另一方面因为了达到使用效果而增加改性过程中工业淀粉的用量而增加了原材料成本。所以有效提高工业淀粉改性碳酸钙过程中工业淀粉利用率是极具实用价值和经济价值的一个研究方向。
发明内容
本发明克服上述缺陷，提供一种提高改性填料中淀粉利用率的方法，通过该改性工艺制备改性填料，能够大大提高淀粉有效利用率。
本发明的主要原料为工业淀粉、填料、脂肪酸类疏水改性剂和磷酸盐交联剂。
一种提高改性填料中淀粉利用率的方法，包括如下步骤：
1)工业淀粉和填料共混糊化；
2)加入质量分数为0.1％—1.5％的脂肪酸类疏水改性剂溶液；
3)混合物自然降温至30—90℃；
4)加入质量分数为0.25％—5％的磷酸盐类交联剂溶液。
上述方法具体步骤为：
(1)将工业淀粉与填料混合，加入水中得到混合物溶液，加热混合物溶液，温度逐渐升至75—95℃，并在75-95℃下糊化为30—60min，得到混合物；
(2)向步骤(1)所得混合物中加入质量分数为0.1％—1.5％的脂肪酸类疏水改性剂溶液，同时混合物质量百分比浓度被稀释到1％-15％，继续反应30—60min；
(3)采取自然降温，降温至30～90℃；
(4)降温至设定温度后继续反应15—60min，随后加入质量分数为0.25％—5％的磷酸盐类交联剂溶液继续反应20-50min，得到淀粉改性填料。
上述方法中，所述工业淀粉为工业级玉米淀粉、工业级马铃薯淀粉、工业级木薯淀粉或工业级甘薯淀粉；所述填料为高岭土，碳酸钙或滑石粉；所述脂肪酸类疏水改性剂溶液中的溶质脂肪酸类疏水改性剂为高级脂肪酸盐；所述高级脂肪酸盐包括硬脂酸钠、软脂酸钠、油酸钠或亚油酸钠；所述磷酸盐类交联剂为三偏磷酸钠或六偏磷酸钠。本发明改性剂采用脂肪酸类疏水改性剂，它能与糊化状态工业淀粉发生复合反应，使工业淀粉获得一定疏水性。本发明采用交联剂六偏磷酸钠或三偏磷酸钠，它能够使因剪切力切断的溶于水的低分子量工业淀粉发生交联反应从水中析出；同时，工业淀粉间的交联反应也有利于未附着到碳酸钙上的工业淀粉附着到碳酸钙上。
上述方法中，步骤1)中工业淀粉与填料的加入量满足：工业淀粉与填料的绝干质量比为0.5—3.5:10，所述混合物溶液的质量百分比浓度为5％—25％。
上述方法中，脂肪酸类疏水改性剂溶液中的脂肪酸类疏水改性剂用量占填料质量的1％—10％。
上述方法中，步骤(3)中，自然降温至30—90℃需要时间为15—100min。本发明采用降温反应，这有利于溶解于水中的工业淀粉和硬脂酸钠从水中析出，而附着到碳酸钙表面。
上述方法中，加入磷酸盐类交联剂溶液后总混合物质量百分比浓度被稀释到2.4％—4％。
上述方法中，步骤(1)至步骤(4)均在转速为200—400rpm的搅拌条件下进行。
本发明大大提高了工业淀粉改性碳酸钙过程中工业淀粉的利用率，上述方法中，所述淀粉改性填料淀粉利用率达到90％以上。
本发明避开改性中酸碱的应用，尤其适合抗酸溶性差的填料，如碳酸钙的改性。
与现有技术相比，本发明的优势为：
已有改性工艺中当淀粉相对碳酸钙用量为20％时，淀粉利用率为68.7％，而本发明涉及的填料改性工艺中淀粉相对碳酸钙用量从10％—30％，其淀粉利用率都达到90％以上，这说明本发明涉及的改性工艺中加入的淀粉至少有90％以上有效地包覆到填料表面，这显著提高了工业淀粉利用率。本发明采用脂肪酸类疏水改性剂和磷酸盐类交联剂，同时采用降温反应，使得最终产品的淀粉利用率大大提升，且步骤简单，易于工业化。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
以下实施例的工艺流程如图1所示。
实施例1
首先，将工业级玉米淀粉与碳酸钙(其用量为工业淀粉与填料的绝干质量比1:10)均匀混合，再加入水中配成质量分数为15％的混合物溶液，在200rpm搅拌速度下逐渐升温加热至95℃，在95℃保温糊化60min，然后加入质量分数为0.4％的硬脂酸钠溶液将混合物浓度稀释到8％，反应30min后，降温至30℃，继续反应30min，最后加入质量分数为0.5％的六偏磷酸钠将混合物溶液稀释到5％，反应20min。即获得改性碳酸钙。
实施例2
首先，将工业级玉米淀粉与碳酸钙(其用量为工业淀粉与填料的绝干质量比2:10)均匀混合，再加入水中配成质量分数为10％的混合物溶液，在300rpm搅拌速度下逐渐升温加热至95℃，在95℃保温糊化50min，然后加入质量分数为0.9％的硬脂酸钠溶液将混合物浓度稀释到8％。反应30min后，降温至60℃，继续反应40min，最后加入质量分数为0.4％的六偏磷酸钠将混合物浓度稀释到5％，反应30min。即获得改性碳酸钙。
实施例3
首先，将工业级玉米淀粉与碳酸钙(其用量为工业淀粉与填料的绝干质量比3:10)均匀混合，再加入水中配成质量分数为10％的混合物溶液，在300rpm搅拌速度下逐渐升温加热至95℃，在95℃保温糊化40min，然后加入质量分数为0.9％的硬脂酸钠溶液将混合物浓度稀释到8％。反应30min后，降温至60℃，继续反应30min，最后加入质量分数为0.4％的六偏磷酸钠将混合物浓度稀释到5％，反应30min。即获得改性碳酸钙。
实施例4
首先，将工业级玉米淀粉与高岭土(其用量为工业淀粉与填料的绝干质量比2:10)均匀混合，再加入水中配成质量分数为15％的混合物溶液，在150rpm搅拌速度下逐渐升温加热至95℃，在95℃保温糊化50min，然后加入质量分数为0.9％的硬脂酸钠溶液将混合物浓度稀释到10％。反应30min后，降温至60℃，继续反应20min，最后质量分数为0.4％的六偏磷酸钠将混合物浓度稀释到7％，反应40min。即获得改性高岭土。
对比实施例1
首先，将工业级玉米淀粉与碳酸钙(其用量为工业淀粉与填料的绝干质量比2:10)均匀混合，再加入水中配成质量分数为10％的混合物溶液，在300rpm搅拌速度下逐渐升温加热至95℃，在95℃保温糊化50min，然后加入质量分数为0.9％的硬脂酸钠溶液将混合物浓度稀释到8％，继续反应60min，最后加入质量分数为0.4％的六偏磷酸钠将混合物浓度稀释到5％，反应30min。即获得改性碳酸钙。
淀粉利用率计算：将以上三种案例获得的改性碳酸钙用超纯水洗涤，以便去除悬浮液中未包覆的淀粉，再放到烘箱中105℃烘至绝干，称取一定质量恒重的改性碳酸钙，在575℃下置于马弗炉中灼烧至恒重，测定灼烧前后质量。工业淀粉利用率计算公式如下：
式中C为淀粉利用率(％)，A为加入淀粉相对填料的质量分数(％)，m1为改性碳酸钙灼烧前恒重质量(g)，m2为灼烧后的质量(g)，a为碳酸钙烧损率。
结果如表1所示：
表1 实施例中各个产品的淀粉利用率
| 实施例 | 淀粉利用率 |
| 案例1 | 93.3％ |
| 案例2 | 95.7％ |
| 案例3 | 94.5％ |
| 案例4 | 97.9％ |
| 对比实施例1 | 73.7％ |
据文献记载当淀粉相对填料用量越少时，淀粉利用率越低。根据相关文献的已有改性工艺：在三口烧瓶中加入淀粉配制成淀粉悬浊液，冷水中分散10min后搅拌升温，在400rpm、95℃下糊化30min后制成淀粉液。将糊化好的淀粉溶液和硬脂酸钠溶液在95℃、400rpm下混合30min，最后将碳酸钙悬浮液加入到形成的复合物中搅拌20min，即得到改性碳酸钙。当淀粉相对碳酸钙用量为20％时，淀粉利用率为68.7％。而从实施例1、实施例2和实施例3可知，本发明涉及的填料改性工艺的淀粉相对碳酸钙用量从10％—30％，其利用率都达到90％以上，这说明本发明涉及的改性工艺中加入的淀粉有90％以上有效地包覆到填料表面。同时，从实施例4可知，本发明也适用于高岭土填料的改性。已有工艺为了达到改性效果，往往需要通过提高淀粉相对用量实现，而本发明通过提高淀粉利用率来减少淀粉的使用量，这不仅有利于降低改性成本，而且避免了淀粉流入白水而造成白水处理困难。
此外从对比实施例1中最终得到的产品淀粉利用率看，本发明中的采取自然降温，降温至30～90℃，这一步骤对于最终产品的淀粉利用率的提高，起到重要的作用。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种提高改性填料中淀粉利用率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）工业淀粉和填料共混糊化；
2）加入质量分数为0.1%—1.5%的脂肪酸类疏水改性剂溶液；
3）混合物自然降温至30—90℃；
4）加入质量分数为0.25%—5%的磷酸盐类交联剂溶液；
具体步骤为：
（1）将工业淀粉与填料混合，加入水中得到混合物溶液，加热混合物溶液，温度逐渐升至75-95℃，并在75-95℃下糊化为30—60min，得到混合物；
（2）向步骤（1）所得混合物中加入质量分数为0.1%—1.5%的脂肪酸类疏水改性剂溶液，同时混合物质量百分比浓度被稀释到1%—15%，继续反应30—60min；
（3）采取自然降温，降温至30—90℃；
（4）降温至设定温度后继续反应15—60min，随后加入质量分数为0.25%—5%的磷酸盐类交联剂溶液继续反应20-50min，得到淀粉改性填料；
所述脂肪酸类疏水改性剂溶液中的溶质脂肪酸类疏水改性剂为高级脂肪酸盐；所述高级脂肪酸盐包括硬脂酸钠、软脂酸钠、油酸钠或亚油酸钠；所述磷酸盐类交联剂为三偏磷酸钠或六偏磷酸钠。
2.根据权利要求1所述的提高改性填料中淀粉利用率的方法，其特征在于：所述工业淀粉为工业级玉米淀粉、工业级马铃薯淀粉、工业级木薯淀粉或工业级甘薯淀粉；所述填料为高岭土，碳酸钙或滑石粉。
3.根据权利要求1所述的提高改性填料中淀粉利用率的方法，其特征在于：步骤（1）中工业淀粉与填料的加入量满足：工业淀粉与填料的绝干质量比为0.5—3.5:10，所述混合物溶液的质量百分比浓度为5%—25%。
4.根据权利要求1所述的提高改性填料中淀粉利用率的方法，其特征在于：脂肪酸类疏水改性剂溶液中的脂肪酸类疏水改性剂用量占填料质量的1%—10%。
5.根据权利要求1所述的提高改性填料中淀粉利用率的方法，其特征在于：步骤（3）中，自然降温至30—90℃需要时间为15—100min。
6.根据权利要求1所述的提高改性填料中淀粉利用率的方法，其特征在于：加入磷酸盐类交联剂溶液后总混合物质量百分比浓度被稀释到2.4%—4%。
7.根据权利要求1所述的提高改性填料中淀粉利用率的方法，其特征在于：步骤（1）至步骤（4）均在转速为200—400rpm的搅拌条件下进行。
8.根据权利要求1所述的提高改性填料中淀粉利用率的方法，其特征在于：所述淀粉改性填料淀粉利用率达到90%以上。
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