中溫水溶淀粉漿料的制備及性能研究

周 丹 張晨陽 沈艷琴 武海良 姚一軍

（西安工程大學，陜西西安，710048）

中溫（溫度低于65℃）漿紗作為一種新型的節能環保漿紗技術，已成為紡織行業漿紗領域的發 展趨勢［1-2］。近 年 來，泡沫上漿［3］和半糊化 上漿［4］等中溫環保漿紗工藝受到研究者廣泛關注。中溫水溶淀粉漿料的制備是實現中溫漿紗的關鍵。中溫水溶淀粉漿料主要有預糊化淀粉和顆粒冷水可溶淀粉［5］。預糊化淀粉是對原淀粉直接處理，產品失去了淀粉的顆粒結構，淀粉糊的性質變差；顆粒冷水可溶淀粉保存了淀粉的顆粒結構，漿液流動性和穩定性優于預糊化淀粉。研究者采用乙醇-堿法制備了中溫水溶玉米淀粉［6-7］，但產品黏度過大，淀粉漿液易凝沉，且堿會帶來大量含鹽廢水，造成環境污染。RAJAGOPALAN S等［8］發明了常壓多元醇法制備中溫可溶淀粉并申請專利，該工藝在常壓下進行且反應時間短，但國內相關研究尚未見報道，具有一定的科研價值。

本研究首先對馬鈴薯淀粉（以下簡稱原淀粉）酸化以降低其黏度，再對其季銨陽離子化以改善淀粉漿液易凝沉的缺點，最后采用常壓多元醇法制備了中溫水溶季銨陽離子淀粉（以下簡稱WQS淀粉）漿料。研究了WQS淀粉漿料的顆粒形貌、基團變化、晶型結構，分析了季銨陽離子取代度、反應參數對WQS淀粉漿料黏度、溶解度的影響，以期提高產品對紗線的黏附性能，為中溫漿紗工藝提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

原淀粉；鹽酸、乙醇、氫氧化鈉，分析純；3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨；1，2-丙二醇，快速滲透劑T。

JJ-1型精密增力電動攪拌器；2XZ-4型旋片式真空泵；BJ-300型拜杰不銹鋼粉碎機；LH-T32型手持式糖度儀；YT821型可調漏斗式漿液黏度計；HD021 N+型電子單紗強力儀；Nicolet5700型紅外光譜儀；Dmax-Rapid II型X射線衍射儀；Quanta-450-PEG型掃描電鏡。

1.2 WQS淀粉漿料的制備

1.2.1 酸解淀粉

淀粉大分子鏈段在H+的催化作用下水解斷裂，降低了原淀粉漿液的黏度。于帶有攪拌棒的三頸瓶中依次加入水、原淀粉和鹽酸，在40℃恒溫水浴鍋中保溫2 h，其中淀粉乳質量分數30%，原淀粉與鹽酸的質量比為3.4∶1，制得黏度為4.6 s～4.8 s的酸解淀粉。

1.2.2 季銨陽離子淀粉

淀粉大分子上的羥基在堿性環境下與醚化劑3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨發生取代反應生成陽離子淀粉，于高效混合器中依次加入制備的酸解淀粉、水、氫氧化鈉和醚化劑3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨使其混合均勻，再轉移至帶有攪拌棒的三頸瓶中，在70℃恒溫水浴鍋中保溫4 h，其中水的質量為反應體系質量的20%、酸解淀粉與3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨的摩爾比為1∶0.04～1∶0.08、氫氧化鈉與3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨的摩爾比為2∶1，反應制得季銨陽離子淀粉（以下簡稱QS淀粉）。

1.2.3 WQS淀粉漿料

于帶有攪拌棒和冷凝管的三頸瓶中依次加入1，2-丙二醇、QS淀粉和水，在140℃加熱套中保溫10 min，保持攪拌待乳液冷卻到100℃左右時加入乙醇，攪拌均勻后過濾、烘干、過篩制得WQS淀粉漿料。其中QS淀粉、水和1，2-丙二醇的質量比為1∶1∶5。

1.3 測試方法

參照文獻［9-10］采用掃描電鏡觀察淀粉顆粒微觀結構；采用紅外光譜儀測試淀粉改性前后基團變化；采用X射線衍射儀測試淀粉的晶型結構。

參照文獻［11］測試漿液黏度、熱穩定性、比黏附力、漿膜斷裂強度、耐屈曲次數和水溶速率。

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參照文獻［12］采用凱氏定氮法測試QS淀粉的取代度。

溶解度測試：準確稱取1 g烘干后WQS淀粉緩慢攪拌溶于100 mL水中，在60℃水浴中高速攪拌2 min，將其移入離心管中，以3 000 r/min轉速離心15 min，取上層清夜25 mL于已知質量的蒸發皿中在110℃下烘干至恒重，溶解度計算公式見式（1）。

式中：S為溶解度（%），A為樣品總質量（g），B為25 mL漿液中的固體質量（g）。

2 結果與討論

2.1 WQS淀粉漿料的制備機理

淀粉在水溶解過程中，水分子首先進入淀粉顆粒的無定形區，促使淀粉顆粒膨脹，淀粉雙螺旋結構逐漸展開，水分子逐漸破壞結晶區，最終導致淀粉顆粒的破碎，表現為淀粉顆粒糊化形成漿液。本研究在制備WQS淀粉漿料過程中，季銨化陽離子的引入為淀粉提供豐富的親水基團氨基；1，2-丙二醇可與淀粉結構上羥基形成氫鍵相互作用，限制淀粉雙螺旋結構展開，抑制淀粉顆粒的膨脹，并有效破壞淀粉晶型結構；乙醇的加入可置換出溶于1，2-丙二醇中的淀粉顆粒，并與之形成亞穩態的V型復合物，且乙醇蒸發在淀粉顆粒內部產生空穴結構。親水基團氨基、晶型結構的降低和空穴結構相互協同促進淀粉在中溫條件下水溶。

2.2 WQS淀粉漿料的理化性能分析

2.2.1 顆粒形貌分析

淀粉改性前后在掃描電鏡下的微觀形貌見圖1。可以看出，原淀粉顆粒呈橢球形和圓形，表面光滑；酸解后淀粉顆粒變小，大部分淀粉顆粒依然具有光滑的表面，部分淀粉顆粒表面出現細小裂紋，且沒有出現凹陷和破裂的現象，這是因為原淀粉的結晶結構強度較大，酸解雖會破壞顆粒內部無定形結構出現空隙，但仍不會出現塌陷的現象［13］；QS淀粉顆粒表面呈現較多褶皺與裂紋，這是因為堿對淀粉顆粒具有膨脹作用，反應完成后，淀粉收縮出現褶皺；WQS淀粉顆粒表面出現較多的凹陷與裂痕，這是因為反應完成后，顆粒內部出現較大空隙使其塌陷出現凹陷與裂痕，該結構有利于水分子擠入淀粉顆粒內部，增加顆粒的持水能力，有利于淀粉的中溫可溶性。

圖1 淀粉改性前后的微觀形貌

2.2.2 紅外光譜分析

淀粉改性前后的紅外光譜圖見圖2。可以看出，4種淀粉樣品均在波數為3 400 cm-1、2 930 cm-1、1 640 cm-1、1 110 cm-1、600 cm-1左右出現淀粉的特征吸收峰，表明4種樣品均具有淀粉的特性，原淀粉和酸解淀粉具有相似的吸收峰，說明對原淀粉的酸解反應并沒有產生新的基團，而QS淀粉和WQS淀粉在3 800 cm-1左右均出現了氨基的特征吸收峰，說明常壓多元醇法并沒有影響淀粉側鏈上的氨基基團，該淀粉依然具有陽離子淀粉的特性。

圖2 淀粉的紅外光譜圖

2.2.3 X射線衍射分析

淀粉改性前后的X射線衍射圖見圖3。可以看出，原淀粉的X射線衍射圖譜在2θ為17°、22°、24°左右處具有較強的衍射峰，表明該淀粉為典型的β-型結晶結構，且酸解淀粉和QS淀粉具有與原淀粉相似的特征衍射峰，說明經過酸解處理和陽離子化處理后，淀粉的結晶結構沒有受到影響，但經過常壓多元醇法處理得到的WQS淀粉的X射線衍射峰在2θ為10°～30°之間呈倒V形［14］，表明該淀粉已失去原有的結晶結構，呈現較大的無定形結構，這種結構有利于淀粉的中溫水溶性。

圖3 淀粉的X射線衍射圖

2.3 季銨陽離子取代度對WQS漿液黏度的影響

QS淀粉的取代度對WQS漿液黏度影響較大。控制反應時間2 h、反應溫度70℃、氫氧化鈉與醚化劑3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨的摩爾比為2∶1，3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨與酸解淀粉的摩爾比為0.04∶1、0.06∶1、0.08∶1，得到取代度分別為0.025 9、0.030 1、0.045 0的QS淀粉，相應WQS漿液黏度分別為4.8 s、5.1 s和6.0 s。可見，取代度與漿液黏度值隨著醚化劑3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨用量的增加而增加，這是因為隨著3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨用量的增加，可參與淀粉醚化反應的分子增加，淀粉取代度增加，導致淀粉分子鏈支鏈基團過多，淀粉中溫溶解后，黏度較大，因此取代度需控制在0.030 1左右。

2.4 影響WQS淀粉溶解度的因素分析

影響WQS淀粉的因素主要有反應時間、反應溫度、1，2-丙二醇用量和水用量，以溶解度為指標，采用單因素分析法測試各影響因素對WQS漿料溶解度的影響。

2.4.1 反應時間

控制反應溫度140℃，QS淀粉、水和1，2-丙二醇的質量比為1∶1∶5不變，測試反應時間為5 min、10 min和15 min時 制備的WQS淀粉溶解度，分別為47.5%、97.0%和95.0%。可知，隨著反應時間的延長，淀粉溶解度迅速增大，當反應時間為10 min以上時，溶解度基本保持不變。原因在于，當反應時間較短時，水分子無法立即進入并破壞淀粉的結晶區，從而使淀粉顆粒的結晶度比例較大，導致溶解度較低；當反應時間延長到10 min以上時，水分子具有充足的時間破壞淀粉的結晶區，所以溶解度增大。可知，最佳反應時間為10 min。

2.4.2 反應溫度

控制反應時間10 min，QS淀粉、水和1，2-丙二醇的質量比為1∶1∶5不變，分別測試在100℃、120℃、140℃和160℃等不同反應溫度下制備的WQS淀粉的溶解度，結果分別為63.0%、77.5%、95.4%和92.5%。可知，隨著反應溫度的升高，淀粉的溶解度也隨之出現了先增大后減小的趨勢。原因在于隨著溫度升高，水分子能夠及時進入并破壞淀粉的結晶區，當溫度過高時，就會導致體系傳熱不理想，部分淀粉顆粒糊化，溶解度降低。可知，最佳反應溫度為140℃。

2.4.3 1,2-丙二醇的用量

控制反應溫度140℃，反應時間10 min，QS淀粉與水的質量比為1∶1不變，分別測試1，2-丙二醇與淀粉的質量比為3∶1、4∶1、5∶1、6∶1時制備的WQS淀粉溶解度，發現1，2-丙二醇用量過小，即1，2-丙二醇與淀粉的質量比為3∶1時，淀粉已經糊化；1，2-丙二醇與淀粉的質量比為4∶1、5∶1、6∶1時，淀粉溶解度分別為78.5%、96.2%和83.7%。由于1，2-丙二醇用量過小，對淀粉顆粒糊化產生抑制作用，隨著溫度升高，加大了水分子對淀粉顆粒形成破壞，導致淀粉顆粒逐漸糊化；隨著1，2-丙二醇用量增大，對淀粉顆粒的抑制作用進一步增強，淀粉顆粒狀態完整，溶解度增大；當1，2-丙二醇用量過多時，抑制作用就會過大，阻礙水分子進入淀粉顆粒，導致溶解度降低。因此，1，2-丙二醇與淀粉的較佳質量比為5∶1。

2.4.4 水的用量

控制反應溫度140℃，反應時間10 min，QS淀粉與1，2-丙二醇的質量比為1∶5不變，分別測試水與淀粉的質量比為0.5∶1、1∶1、1.5∶1時制備的WQS淀粉溶解度，發現水與淀粉的質量比為0.5∶1和1∶1時，淀 粉 溶 解 度 分 別 為86.3%和96.1%，而水與淀粉的質量比為1.5∶1時，淀粉已經糊化，說明水用量增加，溶解度提高。因為水用量增加后，反應體系中存在足夠水分子破壞淀粉的結晶區；水用量過多時，糊化作用高于1，2-丙二醇的抑制作用，淀粉糊化現象產生。因此，水與淀粉的較佳質量比為1∶1。

2.5 WQS淀粉漿料的漿液與漿膜性能

選擇取代度為0.300 1的QS淀粉，反應時間10 min，反應溫度140℃，QS淀粉、水和1，2-丙二醇的質量比為1∶1∶5制備WQS淀粉漿料，對其分別進行高溫（95℃）調漿和中溫（65℃以下）調漿，含固率6%，測試其漿液、漿膜性能，并對純棉粗紗進行黏附性測試，結果見表1和表2。

表1 漿液性能測試結果

表2 漿膜性能測試結果

由表1和表2可知，中溫調漿時，漿液黏度適中，對紗線具有良好的黏附性能，且放置一段時間后，漿液沒有凝沉和凍膠現象產生，漿膜具有良好的斷裂強度、耐屈曲次數和水溶速率，制備的WQS淀粉漿液、漿膜性能與高溫調漿基本一致。這是因為陽離子化為淀粉大分子側鏈加入了親水性氨基基團，同時由于電荷排斥作用使淀粉大分子鏈間的締結作用減弱，分子鏈易于旋轉。因此，漿液具有良好的抗凝沉性，漿膜柔軟，斷裂強度高，耐屈曲性良好，符合中溫漿紗工藝的要求。

2.6 WQS漿料的漿紗性能

分別采用不添加、添加快速滲透劑T的WQS淀粉漿料調制成質量分數10%的漿液，對C 14.6 tex紗進行高溫漿紗制得漿紗1和漿紗2，采用同樣的配方對C 14.6 tex紗進行中溫漿紗制得漿紗3和漿紗4，測試漿紗性能，結果見表3。

表3 漿紗性能

由表3可知，高溫漿紗時，不管是否添加滲透劑，WQS淀粉對純棉原紗漿紗效果均良好，增強率、減伸率、耐磨次數和毛羽數等指標均滿足漿紗要求。在中溫漿紗條件下，紗線的增強性能和減伸性能較差，WQS淀粉對C 14.6 tex紗漿紗效果不理想，不能滿足上漿要求。這是因為淀粉大分子鏈在中溫時不能完全展開，漿液分子不能滲透進入紗線內部潤濕紗線；當加入適量的滲透劑后，滲透劑能夠有效降低紗線的表面張力，漿液分子能夠滲透潤濕紗線，不斷增強紗線之間的抱合作用，漿紗效果明顯改善，對應的增強率大于不添加滲透劑的漿紗效果，從而滿足中溫漿紗要求。

3 結論

（1）制備中溫水溶季銨陽離子淀粉漿料的流程為原淀粉→酸解淀粉→QS淀粉→WQS淀粉。

（2）采用常壓多元醇法制備WQS淀粉的較佳工藝參數：QS淀粉的取代度為0.030 1，反應時間10 min，反應溫度140℃，淀粉、水和1，2-丙二醇的質量比為1∶1∶5。

（3）WQS淀粉具有良好的水溶性，其漿液黏度適中，對紗線具有良好的比黏附力，抗凝沉性良好，沒有凍膠現象產生，且漿膜具有良好的斷裂強度、耐屈曲次數和水溶速率，符合中溫漿紗工藝要求，為實現中溫漿紗奠定了理論基礎。WQS淀粉高溫上漿時可滿足漿紗需求，在中溫漿紗時需要添加滲透劑以提高漿液滲透性。