CN105294942B - 一种阳离子接枝淀粉及其生产工艺和应用 - Google Patents
一种阳离子接枝淀粉及其生产工艺和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及精细化工技术领域，具体涉及一种阳离子接枝淀粉及其生产工艺和应用，生产工艺包括以下步骤：将阳离子醚化剂、液体烧碱混合均匀，喷入淀粉中，混合均匀，升温到60‑80℃，保温反应0.5‑1.5h，得阳离子取代度为0.05‑0.06的阳离子淀粉；制得的阳离子淀粉调浆21‑22Be´，依次加入硫酸钠、稀酸中和至pH为7.0‑7.5，再加入引发剂，然后加入丙烯酸甲酯，保持pH，反应2‑4h；中和至pH为5.0‑5.5，旋流洗涤，脱水干燥，得到阳离子接枝淀粉。本发明的生产工艺简单，生产成本低，制得的阳离子接枝淀粉适合在造纸湿部添加，有利于提高纸张的抗张强度、耐破度、耐折度和环压强度等性能。
Description
技术领域
本发明涉及精细化工技术领域，具体涉及一种阳离子接枝淀粉及其生产工艺和应用。
背景技术
淀粉是一种由葡萄糖组成的天然高分子碳水化合物，具有支链和直链两种结构，广泛存在于植物的种子、块茎和果实中，是一种可再生、无毒、可生物降解、资源丰富的绿色产品。淀粉分子上有很多羟基，在一定温度条件下，能吸水膨胀而糊化，具有一定的粘性和粘着力，在工业上有较广泛的应用。但天然原淀粉因其结构和性能上的缺陷影响了它的广泛应用。阳离子淀粉是变性淀粉的主要品种之一，与天然原淀粉相比，具有流动性好、粘度稳定性高、渗透性强、粘结力好等优点，在造纸行业中应用广泛。
制备阳离子淀粉的方法主要有湿法和干法。湿法生产用水量大，污染环境，且工艺生产流程长，干燥能耗高，生产成本高；干法存在淀粉与化学试剂混合不均匀，产品溶解性差等问题，应用上受到限制。
中国发明专利公开了一种纳米阳离子淀粉的制备方法，该制备方法以原淀粉为原料，加入增塑剂，阳离子醚化剂，碱化剂，在高速搅拌机混合均匀，通过双螺杆挤压机（六节筒体）挤压，在第五节筒体处以液体喷枪注入交联剂，物料挤压后通过挤压机出料口，再经干燥、冷却、粉碎后得到纳米阳离子淀粉。然而，该技术通过双螺杆挤压机取代现有的制备方法，虽简化了工艺，但是制得的纳米阳离子淀粉的物理性能，如抗张强度、耐破度、耐折度和环压强度等达不到造纸纸张的指标要求，不适合于造纸湿部添加使用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供一种阳离子接枝淀粉及其生产工艺和应用，生产工艺简单成熟，生产成本低，适合于规模化生产，制得的阳离子接枝淀粉适合在造纸湿部添加，有利于提高纸张的抗张强度、耐破度、耐折度和环压强度等物理性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种阳离子接枝淀粉，包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 9-12 份
液体烧碱 5-7份
淀粉 100份
硫酸钠 6.3-7.5份
引发剂 4.5-5.5份
丙烯酸甲酯 1.8-2.3份。
优选地，一种阳离子接枝淀粉，包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 10 份
液体烧碱 6份
淀粉 100份
硫酸钠 7份
引发剂 5份
丙烯酸甲酯 2份。
更优选地，一种阳离子接枝淀粉，包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 10.5 份
液体烧碱 6.6份
淀粉 100份
硫酸钠 7.5份
引发剂 4.5份
丙烯酸甲酯 2.3份。
一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，包括以下加工步骤：
步骤（1）、将阳离子醚化剂、液体烧碱混合均匀，喷入淀粉中，混合均匀，升温到60-80℃，保温反应0.5-1.5h，得阳离子取代度为0.05-0.06的阳离子淀粉；
阳离子醚化剂与液体烧碱反应生成2-3环氯丙基三甲基氯化铵（简称ETA），ETA与淀粉反应生成取代度为0.05-0.06的阳离子淀粉。在造纸湿部添加取代度为0.05-0.06的阳离子淀粉，相比于其他阳离子淀粉，有更好的助留、助滤和提高纸的湿强度的效果，更好的成纸质量，减少淀粉用量，降低综合成本。
阳离子淀粉的阳离子取代度高于0.06时，其吸水性能增强，制得的阳离子淀粉为冷水可溶，降低糊化温度，用于造纸湿部添加时降低其上浆性能，成膜性能大大降低；而阳离子取代度低于0.05时，其吸水性能降低，链节活动能力降低，从而降低淀粉的粘度，用于造纸湿部添加时，施胶效果较差，降低了纸张的耐破度和抗张强度。
本发明制得的阳离子接枝淀粉在造纸湿部添加时，可絮凝纸浆、提升造纸湿部脱水效率，有利于提升纸机速度且提高纸浆利用率，另外，阳离子接枝淀粉添加到纸张上增加纸张强度，制得的纸张的抗张强度为3191-3500N/cm2，耐破度为254-275kpa，耐折度为1895-2105双折次，环压强度为10.4-12.5kN/m，纸张的产品质量高。
步骤（2）、将步骤（1）制得的阳离子淀粉与水混合，搅拌均匀，阳离子淀粉与水的质量比为1:1-1.2，然后依次加入硫酸钠、稀酸中和至pH为 7.0-7.5，再加入引发剂，然后加入丙烯酸甲酯，保持pH，反应2-4h，生成淀粉接枝共聚物，接枝反应在水溶液中进行，需要在20—22波美中反应，浓度高，设备无法运转，浓度低，降低反应效率，增加生产成本。
淀粉是由AGU（葡萄糖残基）链接组成，为天然高分子物质，M代表丙烯酸甲酯单体，在引发剂的作用下，阳离子淀粉与丙烯酸甲酯发生放热反应，反应产物为淀粉接枝共聚物，结构式为：
反应中加入硫酸钠可抑制淀粉颗粒的糊化，确保截止反应充分。
步骤（3）、中和至pH为5.0-5.5，旋流洗涤，脱水干燥，得到阳离子接枝淀粉。中和为pH5.0-5.5，使淀粉洗涤干燥后，成品阳离子接枝淀粉为中性，便于后续使用，制得的阳离子接枝淀粉稳定性高，有利于延长保质期。
所述淀粉为木薯淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉、大麦淀粉或大米淀粉。优选地，所述淀粉为木薯淀粉，木薯淀粉的灰分为0.18-0.2%，水分为12-14%，酸度为12-18，细度为99-99.8%，白度为85-88%，粘度为600-800BU。所述马铃薯淀粉的灰分为15-18%，水分为18%，酸度为15-18，细度为99%，白度为88-90%，粘度为1300-1800BU，磷酸含量为600-800mg/l，即0.06-0.08%。
将本发明制得的阳离子接枝淀粉制成淀粉浆液，调整其质量浓度为6%，在恒温恒湿条件下制备成膜，测得浆膜的断裂强度为17.5-19.2N/mm2，断裂伸长率为4.2-5.5%，浆膜吸湿率为22.7-25.4%。浆膜的断裂强度、断裂伸长率高，吸湿性能好，有利于提升纸张的抗拉强度、耐折度等物理指标，成品纸张品质高。
其中，所述步骤（1）中，阳离子醚化剂为3-氯-2羟丙基三甲基胺氯化物，所述液体烧碱的浓度为30-35%。
液体烧碱的浓度高于35%时，淀粉浆会糊化，液体烧碱的浓度低于30%时，调到同样PH值加入的碱量大，淀粉浆浓度过低，降低反应效率。
其中，所述步骤（2）中，稀酸为浓度10%的盐酸。
盐酸的加入是为了将步骤（1）多余的碱去除，若盐酸的浓度高于10%时，中和时需要用到的盐酸的用量小，滴加精度难以控制，当盐酸滴入过量，溶液体系呈中性或弱酸性，则会导致阳离子醚化剂与淀粉的反应失败，影响阳离子淀粉的吸水性能和粘度性能；当盐酸浓度低于10%时，中和时需要用到的盐酸的用量大，淀粉浆浓度过低，降低反应效率。
其中，所述步骤（2）中，引发剂为硝酸铈和硝酸高铈铵中的一种或两种。
其中，所述步骤（3）制得的阳离子接枝淀粉的粘度为1500-2200BU，糊化温度为55-66℃，粒径为10-30μm，白度为92.3-95.1。
一种阳离子接枝淀粉的生产工艺制得的阳离子接枝淀粉应用于造纸湿部添加，生产1吨纸张的阳离子接枝淀粉添加量为5-6kg，制得的纸张的抗张强度为3191-3500N/cm2，耐破度为254-275kpa，耐折度为1895-2105双折次，环压强度为10.4-12.5kN/m。
本发明的有益效果：
（1）传统的阳离子淀粉通常用醚化剂进行醚化反应，制得交联淀粉，而本发明采用阳离子醚化剂进行接枝反应，制得带有正电荷的阳离子接枝淀粉，其在湿部添加时会跟淀粉中纤维的负电荷相互作用，把纤维链接起来，起到助留助滤的作用，确保造纸湿部添加的纸浆在网带上的流动性好，抄纸速度快，烘干后阳离子接枝淀粉糊化后起到纸张粘接作用，增强纸张物理强度。
（2）本发明的阳离子醚化反应为干法反应，药剂即阳离子醚化剂、液体烧碱与淀粉直接混合，在半干状态下反应，反应效率高，药剂残留在后续反应完成后一同旋流洗涤去除，不需要大量的水或有机溶剂，减少生产用水，降低生产成本。
（3）本发明制得的阳离子接枝淀粉应用于造纸湿部添加，生产1吨纸张的阳离子接枝淀粉添加量仅为5-6kg，淀粉的添加量少，原料成本低，有利于普通推广应用，此外，制得的纸张的抗张强度为3191-3500N/cm2，耐破度为254-275kpa，耐折度为1895-2105双折次，环压强度为10.4-12.5kN/m，纸张的产品质量高。
（4）将本发明制得的阳离子接枝淀粉制成淀粉浆液，调整其质量浓度为6%，在恒温恒湿条件下制备成膜，测得浆膜的断裂强度为17.5-19.2N/mm2，断裂伸长率为4.2-5.5%，浆膜吸湿率为22.7-25.4%。浆膜的断裂强度、断裂伸长率高，吸湿性能好，有利于提升纸张的抗拉强度、耐折度等物理指标，阳离子接枝淀粉白度高达92.3-95.1，制得的成品纸张品质高。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施例的一种阳离子接枝淀粉，包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 9 份
液体烧碱 5份
淀粉 100份
硫酸钠 6.3份
引发剂 4.5份
丙烯酸甲酯 1.8份。
本实施例的一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，包括以下加工步骤：
步骤（1）、将阳离子醚化剂、液体烧碱混合均匀，喷入淀粉中，混合均匀，升温到60-80℃，保温反应0.5-1.5h，得阳离子取代度为0.05-0.06的阳离子淀粉；阳离子醚化剂为3-氯-2羟丙基三甲基胺氯化物，所述液体烧碱的浓度为30-35%；
步骤（2）、将步骤（1）制得的阳离子淀粉与水混合，搅拌均匀，阳离子淀粉与水的质量比为1:1-1.2，然后依次加入硫酸钠、稀酸中和至pH为 7.0-7.5，再加入引发剂，然后加入丙烯酸甲酯，保持pH，反应2-4h，生成淀粉接枝共聚物；稀酸为浓度为10%盐酸，引发剂为硝酸铈和硝酸高铈铵中的一种或两种；
步骤（3）、中和至pH为5.0-5.5，旋流洗涤，脱水干燥，得到阳离子接枝淀粉，制得的阳离子接枝淀粉的粘度为1500-2200BU，糊化温度为55-66℃，粒径为10-30μm，白度为92.3-95.1。
实施例2
本实施例的一种阳离子接枝淀粉，包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 10 份
液体烧碱 6份
淀粉 100份
硫酸钠 7份
引发剂 5份
丙烯酸甲酯 2份。
本实施例的一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，包括以下加工步骤：
步骤（1）、将阳离子醚化剂、液体烧碱混合均匀，喷入淀粉中，混合均匀，升温到60-80℃，保温反应0.5-1.5h，得阳离子取代度为0.05-0.06的阳离子淀粉；阳离子醚化剂为3-氯-2羟丙基三甲基胺氯化物，所述液体烧碱的浓度为30-35%；
步骤（2）、将步骤（1）制得的阳离子淀粉与水混合，搅拌均匀，阳离子淀粉与水的质量比为1:1-1.2，然后依次加入硫酸钠、稀酸中和至pH为 7.0-7.5，再加入引发剂，然后加入丙烯酸甲酯，保持pH，反应2-4h，生成淀粉接枝共聚物；稀酸为浓度为10%盐酸，引发剂为硝酸铈和硝酸高铈铵中的一种或两种；
步骤（3）、中和至pH为5.0-5.5，旋流洗涤，脱水干燥，得到阳离子接枝淀粉，制得的阳离子接枝淀粉的粘度为1500-2200BU，糊化温度为55-66℃，粒径为10-30μm，白度为92.3-95.1。
本实施例的其余内容与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例3
本实施例的一种阳离子接枝淀粉，包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 10.5 份
液体烧碱 6.6份
淀粉 100份
硫酸钠 7.5份
引发剂 4.5份
丙烯酸甲酯 2.1份。
本实施例的一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，包括以下加工步骤：
步骤（1）、将阳离子醚化剂、液体烧碱混合均匀，喷入淀粉中，混合均匀，升温到60-80℃，保温反应0.5-1.5h，得阳离子取代度为0.05-0.06的阳离子淀粉；阳离子醚化剂为3-氯-2羟丙基三甲基胺氯化物，所述液体烧碱的浓度为30-35%；
步骤（2）、将步骤（1）制得的阳离子淀粉与水混合，搅拌均匀，阳离子淀粉与水的质量比为1:1-1.2，然后依次加入硫酸钠、稀酸中和至pH为 7.0-7.5，再加入引发剂，然后加入丙烯酸甲酯，保持pH，反应2-4h，生成淀粉接枝共聚物；稀酸为浓度为10%盐酸，引发剂为硝酸铈和硝酸高铈铵中的一种或两种；
步骤（3）、中和至pH为5.0-5.5，旋流洗涤，脱水干燥，得到阳离子接枝淀粉，制得的阳离子接枝淀粉的粘度为1500-2200BU，糊化温度为55-66℃，粒径为10-30μm，白度为92.3-95.1。
本实施例的其余内容与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例4
本实施例的一种阳离子接枝淀粉，包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 11 份
液体烧碱 5.5份
淀粉 100份
硫酸钠 6.5份
引发剂 5.5份
丙烯酸甲酯 2.3份。
本实施例的一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，包括以下加工步骤：
步骤（1）、将阳离子醚化剂、液体烧碱混合均匀，喷入淀粉中，混合均匀，升温到60-80℃，保温反应0.5-1.5h，得阳离子取代度为0.05-0.06的阳离子淀粉；阳离子醚化剂为3-氯-2羟丙基三甲基胺氯化物，所述液体烧碱的浓度为30-35%；
步骤（2）、将步骤（1）制得的阳离子淀粉与水混合，搅拌均匀，阳离子淀粉与水的质量比为1:1-1.2，然后依次加入硫酸钠、稀酸中和至pH为 7.0-7.5，再加入引发剂，然后加入丙烯酸甲酯，保持pH，反应2-4h，生成淀粉接枝共聚物；稀酸为浓度为10%盐酸，引发剂为硝酸铈和硝酸高铈铵中的一种或两种；
步骤（3）、中和至pH为5.0-5.5，旋流洗涤，脱水干燥，得到阳离子接枝淀粉，制得的阳离子接枝淀粉的粘度为1500-2200BU，糊化温度为55-66℃，粒径为10-30μm，白度为92.3-95.1。
本实施例的其余内容与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例5
本实施例的一种阳离子接枝淀粉，包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 12 份
液体烧碱 7份
淀粉 100份
硫酸钠 7.2份
引发剂 5份
丙烯酸甲酯 2.2份。
本实施例的一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，包括以下加工步骤：
步骤（1）、将阳离子醚化剂、液体烧碱混合均匀，喷入淀粉中，混合均匀，升温到60-80℃，保温反应0.5-1.5h，得阳离子取代度为0.05-0.06的阳离子淀粉；阳离子醚化剂为3-氯-2羟丙基三甲基胺氯化物，所述液体烧碱的浓度为30-35%；
步骤（2）、将步骤（1）制得的阳离子淀粉与水混合，搅拌均匀，阳离子淀粉与水的质量比为1:1-1.2，然后依次加入硫酸钠、稀酸中和至pH为 7.0-7.5，再加入引发剂，然后加入丙烯酸甲酯，保持pH，反应2-4h，生成淀粉接枝共聚物；稀酸为浓度为10%盐酸，引发剂为硝酸铈和硝酸高铈铵中的一种或两种；
步骤（3）、中和至pH为5.0-5.5，旋流洗涤，脱水干燥，得到阳离子接枝淀粉，制得的阳离子接枝淀粉的粘度为1500-2200BU，糊化温度为55-66℃，粒径为10-30μm，白度为92.3-95.1。
本实施例的其余内容与实施例1相同，这里不再赘述。
上述实施例1-5制得的阳离子接枝淀粉的应用于造纸湿部添加后，生产1吨纸张的阳离子接枝淀粉添加量为5-6kg，制得的纸张的各项物理指标与传统方法制得的纸张的物理指标对比如下：
| 抗张强度（N/cm2） | 耐破度（kpa） | 耐折度（双折次） | 环压强度（kN/m） | |
| 实施例1 | 3191 | 254 | 1895 | 10.4 |
| 实施例2 | 3230 | 261 | 1903 | 10.7 |
| 实施例3 | 3346 | 267 | 1985 | 11.3 |
| 实施例4 | 3415 | 271 | 2056 | 11.9 |
| 实施例5 | 3500 | 275 | 2105 | 12.5 |
| 普通阳离子淀粉 | 2916 | 232.4 | 1356 | 8 |
| 未加阳离子淀粉 | 2350 | 205 | 1210 | 4.5 |
由上表可以看出，本发明的实施例1-5的纸张在生产时添加了本生产工艺制备的阳离子接枝淀粉，制得的纸张的抗张强度高达3191-3500N/cm2，耐破度高达254-275kpa，耐折度高达1895-2105双折次，环压强度高达10.4-12.5kN/m，纸张的物理性能好，产品质量高，有利于提高纸品的经济价值，且生产1吨纸只需要添加5-6kg本发明的阳离子接枝淀粉，本发明的阳离子接枝淀粉的应用量较低，生产成本低，适于大规模推广应用，经济效益高。而未加阳离子淀粉或者仅仅是添加了普通的阳离子淀粉的造纸工艺，其制得纸张的抗张强度、耐破度、耐折度高达和环压强度等物理指标明显低于本发明的实施例1-5的各项指标。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，其特征在于：所述阳离子接枝淀粉包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 9-12 份
液体烧碱 5-7份
淀粉 100份
硫酸钠 6.3-7.5份
引发剂 4.5-5.5份
丙烯酸甲酯 1.8-2.3份；
所述阳离子接枝淀粉的生产工艺，包括以下加工步骤：
步骤（1）、将阳离子醚化剂、液体烧碱混合均匀，喷入淀粉中，混合均匀，升温到60-80℃，保温反应0.5-1.5h，得阳离子取代度为0.05-0.06的阳离子淀粉；
步骤（2）、将步骤（1）制得的阳离子淀粉与水混合，搅拌均匀，阳离子淀粉与水的质量比为1:1-1.2，然后依次加入硫酸钠、稀酸中和至pH为 7.0-7.5，再加入引发剂，然后加入丙烯酸甲酯，保持pH，反应2-4h，生成淀粉接枝共聚物；
步骤（3）、继续中和至pH为5.0-5.5，旋流洗涤，脱水干燥，得到阳离子接枝淀粉；
其中，所述步骤（1）中，阳离子醚化剂为3-氯-2羟丙基三甲基胺氯化物，所述液体烧碱的浓度为30-35%；
所述步骤（3）制得的阳离子接枝淀粉的粘度为1500-2200BU，糊化温度为55-66℃，粒径为10-30μm，白度为92.3-95.1。
2.根据权利要求1所述的一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，其特征在于：所述阳离子接枝淀粉包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 10 份
液体烧碱 6份
淀粉 100份
硫酸钠 7份
引发剂 5份
丙烯酸甲酯 2份。
3.根据权利要求1所述的一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，其特征在于：所述阳离子接枝淀粉包括以下重量份的原料：
阳离子醚化剂 10.5 份
液体烧碱 6.6份
淀粉 100份
硫酸钠 7.5份
引发剂 4.5份
丙烯酸甲酯 2.3份。
4.根据权利要求1所述的一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，稀酸为浓度10%的盐酸。
5.根据权利要求1所述的一种阳离子接枝淀粉的生产工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，引发剂为硝酸铈和硝酸高铈铵中的一种或两种。
6.一种阳离子接枝淀粉的应用，其特征在于：由权利要求1-5中任意一项所述的阳离子接枝淀粉的生产工艺制得的阳离子接枝淀粉应用于造纸湿部添加，生产1吨纸张的阳离子接枝淀粉添加量为5-6kg。
7.根据权利要求6所述的一种阳离子接枝淀粉的应用，其特征在于：制得的纸张的抗张强度为3191-3500N/cm2，耐破度为254-275kPa ，耐折度为1895-2105双折次，环压强度为10.4-12.5kN/m。
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| CN103012680A (zh) * | 2013-01-07 | 2013-04-03 | 江西宏大化工有限公司 | 一种复合改性淀粉浆料的制备方法 |
| CN104861114A (zh) * | 2014-02-25 | 2015-08-26 | 淮安智祥科技有限公司 | 一种改性淀粉及其制备方法 |
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2015
- 2015-12-04 CN CN201510878400.7A patent/CN105294942B/zh active Active
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