淀粉在造纸工业上的应用概况
美国玉米产品研究所
文摘：
淀粉是一种来源丰富的天然碳水化合物，它是所有生命体最重要的能源。纤维素也是一种碳水化合物，它在自然界中很丰富，是造纸工业的主要原料。从重量上说，淀粉是除矿物质填充料外在纸张成份中第二大的成分，如果包括矿物质，淀粉则是除水份外的第三大主要成分。全世界造纸工业所用的淀粉约为500万吨，占2000年世界总淀粉产量5690万吨的8.8%，占世界2001年造纸与纸版总产量31810万吨的1.6%。造纸工业上使用的天然或变性淀粉，来自玉米，木薯，小麦与马铃薯。淀粉应用的主要方法有将未蒸煮的淀粉湿端喷雾、在造纸成形的湿部加入糊化淀粉、以及在施胶工艺、砑光工艺与涂布工艺上使用淀粉。淀粉是一种生物可降解并且支持环保的多聚物，由于价格比较低，作为功能与工艺添加物时，对造纸工业有许多好处，它可改善干强度，滞留性，疏水性，施胶性，成形性，减少灰尘，改进拉伸性与印刷性能。
淀粉在世界造纸工业上的使用
淀粉是造纸上最重要的原料之一。从重量上说，它常常是纸的第四大组份，前面三组份是水份、纤维素与无机填料。造纸上使用淀粉已经有上千年历史，而且目前最先进的造纸工业仍然使用它。文化与包装用纸与纸版是淀粉的主要用户，当然，卫生纸与新闻纸加了淀粉后，也有益处。
世界上造纸工业淀粉的消费量约为500万吨。世界上大约粗淀粉产量的一半是用于造纸的。如果按世界造纸与纸版总产量计，淀粉消费量约为其1.6%。其中包括纸与纸版所用的各种天然与改性的淀粉。造纸工业上消费的淀粉约四分之三是改性淀粉。淀粉的消耗量取决于所需生产的纸质量、所使用的纤维类型与盈利要求。亚洲、欧洲与北美洲是全世界三个纸与纸版主要生产地，这三洲每洲每年纸产量都在1亿吨以上。由于60%以上的人口集中在亚洲，而且由于许多经济增长点集中在这一地区，这里造纸生产将比其他地区更持续高速发展，因此就需要更多的淀粉。另外，这一地区大量使用农业废纤维，其强度比一般的木质纤维纸，因此，需要加入更多的淀粉以保证纸的质量，所以亚洲地区造纸需要更多的淀粉。淀粉可以提高造纸过程中纸的湿部稳定性，随着造纸机的不断加宽与车速提高，
淀粉的添加使用更日显重要。
造纸工艺上使用淀粉的益处
造纸工艺上使用淀粉有许多优点。最明显的优点是可以提高纸张与纸张表面的干强度。纸体强度测定时，要测定它的内粘合、抗张强度度、耐破度、边缘压溃强度、平压强度、环压强度、折叠度、多层粘合性与与挺度，而表面强度则是测定其耐磨度、耐擦性、适印性以及尘埃度等。使用淀粉的优点还有：a)，增强纸张的纸机运转性能，减少破损；b），增加细料与填料的滞留时间；c），改进滤水性，从而可以提高纸机车速，减少保持纸张性能所需的纤维精制的能耗，从而提高生产率；d），可以使用低价的短纤维，从而降低成本，改进成形性能；e），使用淀粉作乳化剂时可以加强碱性施胶的效果；f），采用阳离子淀粉与中性淀粉时，可以减少生物耗氧量（BOD）。
一般来说，淀粉最起码的作用是可以增加纸的重量，因为纸出售时，是按重量来卖的。除了未挂上的回收纤维外，所有其他等级的纤维价格都比天然淀粉贵。所以，在造纸上使用天然淀粉不仅有上述优点，还可以减少整个造纸的成本。在一些情况下，变性淀粉对造纸的总成本的影响与益处要比天然淀粉更好。造纸工作者都认为，从整个造纸工艺来看，使用淀粉时，成本要比未使用时低。
造纸上使用的淀粉的类型
对于造纸工艺来说，按照淀粉来源及其变性方式，有几种淀粉在造纸上可用。在世界范围内，其排序为：玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉与小麦淀粉，这四种是造纸上最常用的淀粉来源。考虑价格因素，一般在一定的地区内，都是取资源最丰富的淀粉源来用。例如。在北美，玉米淀粉在造纸工业上用得很多，而木薯淀粉则大量用于东南亚的造纸上。淀粉从其原本植物中分离出来后，以颗粒形式被利用，而淀粉的颗粒形状与大小则取决于其植物来源。淀粉与淀粉之间，糊化温度，容重与直链淀粉的比例等也不相同。
淀粉的变性
供应到造纸厂的淀粉，75%以上已经将天然淀粉经过物理或化学变性。在大部分情况下，淀粉都经过一次变性，即使这种淀粉本身就是造纸厂生产时，也是这样，只有少量造纸厂生产的天然淀粉以不蒸煮或未变性的形式在纸机湿部喷淋使用。淀粉经过变性后，可以改变其造纸工艺稳定性、适用性与使用效率。例如，天然淀粉粘度很高，当蒸煮后涂布在纸张表面时，其量无法控制，限制了其在造纸工艺上应用，而且天然淀粉上由于没有阳
离子基团，其滞留性非常差。将天然淀粉经过化学或热处理可以减少粘度，提高其表面应用的适应性。淀粉分子中每个无水葡萄糖基团含有三个羟基，它们可以形成化学衍生物。经过化学处理后，由于糊化的淀粉分子间的立体结构变化，增加了极性基团，多数情况下淀粉蒸煮后的粘度会稳定。用化学衍生的方法使淀粉带阳离子或同时带阳离子与阴离子基团时，可以提高淀粉在纸机湿部应用时的持留性。淀粉对纸张的作用效果与残留在纸上的淀粉的量有关，而与淀粉的来源及是否经过化学变性无关。造纸工业上最常用的变性淀粉如下：
1， 阳离子淀粉：
一般这种淀粉是用四价反应剂氯化2，3-环氧丙基三甲基铵怀淀粉反应制造的。淀粉中的羟基上的氢根被化学基团取代，使淀粉带上正电荷。化学基团取代的程度用取代度（D.S）来表示。阳离子淀粉的取代度为0.01到0.05，就是说，一百个葡萄糖单元中，最多就是带有5个正电荷的化学基团。DS代的阳离子淀粉多数用于表面应用，而中度取代与高取代的阳离子淀粉则用于纸机湿部。铵离子的正电荷使得变性淀粉带阳性，在蒸煮时稳定性大提高。由于多数造纸整理剂为阴离子，所以阳离子淀粉可以将负电荷的成份吸引在一起，在制浆过程中留下来。阳离子淀粉对填充物与细纤维的吸引作用，可以改进纸张的性能并使废水的生物耗氧量减少。
2， 两性淀粉
这种淀粉制造时，通过两次变性，先将阳离子反应剂作用，然后再用阴离子的磷酸基团作用，多数是用三聚磷酸盐加热反应，这样，这种淀粉上就同时具有阳离子与阴离子基团。淀粉上同时具有两种基团，使得它在湿部系统上非常有效，因为这种淀粉可以捕获阳离子残基，也可以捕获阴离子残基。采用两性淀粉时，其持留时间与疏水性都得到改进。采用了两性淀粉后，由于疏水性能改进，多数受到干燥限制的造纸机生产能力都有提高。这种淀粉多数用于在酸性环境下生产瓦楞纸的生产厂。
3， 氧化淀粉
这种淀粉制造时，多数是在淀粉厂用天然淀粉与次氯酸钠（NaClO
）反应制成的。次
4
氯酸钠氧化剂将淀粉分子撕裂成短分子链，使得其糊化粘度降低。氧化淀粉生产时，如果PH过高，部分淀粉分子中的羟基会被氧化，生成羧基。这些羧基可以改进淀粉糊化时粘度稳定性。用途不同时，例如用于压力施胶、涂布或压光时，氧化淀粉的粘度可以制成不同的粘度。造纸工艺表面处理时，氧化淀粉是淀粉制造商能提供的成本最低、最常用的变性淀粉。
4， 酶转化淀粉
在造纸厂常常将天然淀粉用α-淀粉酶加热处理，用于表面处理。在造纸厂目前采用的有间歇式与连续式两种方法。当然，连续方法多数用于大型造纸厂，那里需要量大，需要连续蒸煮。酶可以在淀粉的1，4键处选择性地分解，将其分子链降低，从而使其糊化液粘度下降。与氧化淀粉相比，酶转化淀粉的稳定较差，因此，在进入造纸机前，必须认真随时测定，注意其酶转化的糊化液的质量，要控制其PH，温度与停留时间。各种用于表面处理用的淀粉糊化的温度为60-65℃,PH为7-8。蒸煮淀粉的停留时间应当低于造纸机连续抄纸工艺所需的淀粉制备系统的时间。要努力按最佳质量控制方法制备新鲜的淀粉糊供应造纸机。停留时间越短，蒸煮淀粉老化的可能性就越小。
5， 热处理及热化学处理淀粉
这种变性淀粉是用连续喷射蒸煮器用高压蒸汽或同时使用氧化物进行变性的淀粉。通常使用过硫酸铵作为氧化剂用蒸汽连续喷射糊化的工艺制备。加热或加热同时加化学反应，使淀粉分子降解，达到所需的淀粉粘度。也可以将过硫酸铵加到未蒸煮的淀粉浆中，停留一段时间让过硫酸铵降解淀粉分子后，再将淀粉浆用蒸汽喷射。这种淀粉一般颜色较深，稳定性比氧化淀粉差。造纸厂必须密切注意保证蒸煮淀粉的质量可靠。一般认为，这种方法可以让造纸厂使用低价的天然淀粉，加上低价的蒸汽与化学药品，降低造纸成本，但如果考虑全部化学药品、蒸汽、人工及低档淀粉用于造纸生产情况时，可能会有另外一种结果。
6， 羟烷基淀粉
羟乙基淀粉与羟丙基淀粉，用环氧乙烷与环氧丙烷与淀粉在碱性条件下反应生成。羟乙基淀粉与羟丙基淀粉又可以进一步用酸解聚，得到所需要的粘度，用于造纸的施胶、涂布及压光。这种变性淀粉为非离子型淀粉，与其他变性淀粉如氧化淀粉与稀糊化淀粉比较，价格较贵，因为环氧乙烷与环氧丙烷都比较贵。由于有这种基团存在，这种变性淀粉的糊化液粘度与亲水性特别高。
7， 酸变性淀粉
酸变性淀粉又叫做稀糊化淀粉，或叫酸转化淀粉。采用无机酸，如盐酸或硫酸对淀粉的葡萄糖链进行水解，使分子链长降低，使淀粉糊粘度降低，达到所需要求。淀粉供应商愿意供应酸变性淀粉，但造纸厂使用很有限，因为它很容易老化。
8， 预糊化淀粉
有些造纸厂并没有配备淀粉蒸煮锅，不能自己配制淀粉用于造纸系统。由于这种造纸
厂消耗淀粉比较少，因此可以接受价格比较高的已经蒸煮好的干燥产品。它们使用的淀粉必须在化学蒸煮变性后干制成干制品，因此价格要高于现场蒸煮的淀粉。这种变性淀粉一般用喷射器蒸煮，然后用转鼓干燥器干燥，或用喷雾干燥器干燥。许多淀粉制造商则直接为造纸厂生产阳离子预糊化淀粉，这样造纸厂可以直接将其与水混合而不必蒸煮。
9， 其他变性淀粉
在造纸工业上，其他变性淀粉，如醋酸淀粉、氰乙基淀粉、磷酸酯淀粉、羧甲基淀粉、交联淀粉、琥珀酸淀粉、尿素磷酸淀粉与糊精等，用途很小，多数是因为其稳定性差，价格高，蒸煮不便或是其他应用上的问题。有时，天然淀粉可进行微量变性，如加入消泡剂、杀虫剂或缓冲剂，就可以使其更适宜于造纸厂的使用。
造纸厂使用变性淀粉的部位
淀粉与造纸生产中的其他化学品一样，有特殊功能。在造纸工艺中不同部位使用几种不同的变性淀粉，可以改进纸张性能，取得工艺优势。其主要应用部位如下：
1，湿部添加：将蒸煮好的变性淀粉，如阳离子淀粉或两性淀粉,按纸重的0.5-2.0%(约占总淀粉用量的20%)，加到稀浆盘或浓浆盘中（或分别加入两个盘），可以改进：
a，纸张的强度性能：纸张的干强度，如内粘合、抗张强度度、耐破度、边缘压溃强度、平压强度、环压强度等；
b,在碱性系统中的涂布性能—在碱法造纸工艺中，此变性淀粉用于纤维涂布反应的乳化剂，如在ASA (Alknyl Succineic Anhydride)工艺与AKD (Ketene Dimer)工艺中。这里淀粉可以对涂布剂提供一种保护层，防止水解，同时帮助涂布剂分布与进入纤维层。由于可以增强涂布料的滞留时间，淀粉不仅可以改进涂布，还可以减少因涂布料水解造成的沉淀与空洞，提高生产率。
c,控制电荷----一些工厂使用阳离子淀粉作为凝絮剂，控制系统电荷，保证滞留时间与控制沉淀物。
d，除了改进淀粉本身的滞留性外，当使用阳离子淀粉或两性淀粉时，可以加强填充料与细纤维的滞留性，减少昂贵的滞留剂用量，保证造纸系统成本低而且清洁。
E,滤水性—在纸机上，开始滤水时，两性淀粉或阳离子淀粉一般都能改进纸浆附著水的滤干过程，特别是两性淀粉，因为它可以减少了絮聚颗粒的水化体积。滤水性能改善，有利于增加纤维匀浆，增强纸张强度，减少脱水能耗。由于滤水改进，纸机由于干燥部分
的限速会得到改善。
F,成形—使用淀粉可以改进纸张的强度性质，从而可以提高纸强度的短纤维的添加比例，使纸张的成形得到改善。从而可以使强度更提高，并使它具有更好的性质。
G,生产率—阳离子淀粉与两性淀粉加到纸张系统的清洁部位，可以改进纸机湿部强度，降低开端部位以及辊筒及其他机器接触的部分的破裂，从而增加纸页在干燥与施胶时的稳定性。
H,生物耗氧量（BOD）--阳离子淀粉与两性淀粉都比未变性淀粉能滞留，可以增加施胶压力，并将原淀粉包裹，不易脱落。改进淀粉与其他造纸添加剂的粘附可以减少废水负荷。
I,印刷性能—由于淀粉粘结其他造纸内部填充成份的结果，减少了纸张表面的绒毛、尘粒，使印刷性能得到改善。
2，喷淋添加---多数情况下，将比例高达纸重的5%的未蒸煮的天然淀粉浆，喷雾在长网纸机生产线上，或加到双层纸版的层间。这种方法特别适用于造纸时不能使用蒸煮器可压力施胶，或是希望通过喷雾向层间加入淀粉并在干燥时糊化以改进多层纸版性能时。
这里，有一点十分重要，即干燥过程中相对于喷入的淀粉量，必须保证足够的水份与干燥能力，因为未蒸煮的淀粉会降低粘结性能，减少强度性能。淀粉的喷雾应用相对比较简单，可以通过在长网纸机上改变喷雾位置的方法，分别改进其内部或表面强度。
必须适当选择喷咀，泵与循环管道，以减少雾点及未蒸煮淀粉的沉淀。
3，压力施胶应用----大部分造纸用淀粉，占纸张重的3-7%，在这一阶段加入到造纸中。
加入淀粉可以改进其内部与表面强度、不透水性、光滑度、密度、硬度与印刷性能，加入的方法一般是将干燥后的纸张通过两个涂有蒸煮淀粉浆的辊筒加入。近十多年来，施胶时已经倾向于将计量辊筒上的蒸煮淀粉膜涂到纸页上。由于纸机转速越来越快，要求蒸煮淀粉浆从压力施胶辊上高速转移，就必须采用计量施胶压辊的方法。而且随着纸机速度越来越快，要求淀粉的粘度也要较低。计量的施胶压辊也可用于含有矿物质色素的纸张涂膜。
4，压光辊上应用---有时，可以在压光工艺时，将淀粉加入纸中进行表面施胶。压光是在干纸或纸版上进行的,通过将纸张通过一组热铁辊,或在软压光时,通过高压的两个压辊,目的是改进其表面光滑度,增加其纸张密度,减少纸张的厚度波动。大部分纸板或厚纸都要经过压光机进行淀粉表面处理，以加强表面的耐磨性，并使表面纤维与颗粒与
纸紧密结合，改善印刷性能。使用的蒸煮淀粉的浓度，在进水箱中一般为5%，总淀粉用量一般少于纸张重量的1%。有时，淀粉仅仅用在纸板的一面，以控制纸板的起毛密度，也常常只用于纸板涂布的一面。用于施胶的各种淀粉都可以用于压光。同压力施胶应用相似，纸或纸板在压光加入淀粉后，需要干燥。
5，涂布淀粉的应用---在涂布工艺中，蒸煮淀粉可作为粘合剂与持水化学剂，在此工艺中，天然或合成的粘结剂、色素与其他添加物用气流刀、计量涂布器或浆叶涂布器，涂布在纸或纸板的表面。涂布可以改进纸光学与印刷性能，例如亮度、不透明性、光泽性、印刷细度与光度。淀粉本身是一种天然的粘结剂，它可以将色素颗粒粘合在一起，并将这些颗粒粘合在纸张表面。由于蒸煮的淀粉的有粘度，它可以增加容积，帮助分散色素，从而减少涂布颜色的沉淀。在涂布工艺中，淀粉有吸水性能，起到涂平的效果，从而减少了涂布时的不平疤痕。淀粉加到涂布中，可以改进表面与内部的强度，包括硬度，另外，还可以得到上面提到过的美学的与加工工艺上的优点。所有在施胶上用的淀粉都可以用于涂布。
发展趋势
近来，淀粉在造纸上应用的倾向已经集中到降低成本，在新纸品发展标准上，注意力则有限。在湿部上用的阳离子马铃薯淀粉已经完全被阳离子木薯与玉米淀粉所替代。在美国阳离子玉米淀粉已经相当普遍，而在东南亚国家则广泛使用阳离子木薯淀粉。有些纸厂开始试验顺序加入糊化的阴离子淀粉与阳离子淀粉，或分别加入阴离子淀粉再加入阳离子淀粉凝絮剂，或将阴离子淀粉与阳离子淀粉混合一起进行糊化。世界上大部分压力施胶与涂布用的淀粉为氧化淀粉与羟乙基淀粉。许多造纸公司喜欢使用氧化淀粉用于表面应用，因为它价格比羟乙基淀粉低。一些大的造纸厂已经采用酶法蒸煮工艺就地转化淀粉用于表面处理。由于造纸原料中回收纤维增加，所以必须增加淀粉量以保证强度。有时，也可以加入天然淀粉按重量代替较贵的纤维，改善强度。封闭的白水系统对淀粉也提出了要求，为此又发展了新特种淀粉产品。一些纸厂并没有蒸煮系统，开始使用液体或预糊化淀粉。在新闻纸上也开始使用淀粉，以提高其印刷质量，但在餐巾纸与面纸上，淀粉使用很少。计量压力施胶的高速纸机表面处理用的淀粉要求粘度低。在高速纸机与宽带纸机上，淀粉使用很关键，因为淀粉可以使纸页稳定，从而改进其运行。
从各种资料来看，将来亚洲纸与纸板的生产能力发展将最快，其次为欧洲与世界其他
地方。看来美国纸与纸板发展速度最慢。按2003年2月17日纸与造纸周刊的报导，从2003到2005年，预计年增长速度为：亚洲为3.7%，欧洲为2.2%，世界其他地方为1.6%，而美国为 0.2%。目前亚洲淀粉已经短缺，新增加的造纸能力将增加造纸工业对淀粉的需要。亚洲大量使用重循环废纸与农业纤维，也将增加淀粉用量才能满足世界造纸质量与生产标准，所以亚洲造纸工业的淀粉需要量会比世界其他地区以更快的速度增长。
结论
纸在人类生活中起到了核心的作用，在我们生活中有许多用途，其中信息交换、包装与卫生纸是最主要的用途。虽然目前我们在办公室中见到的纸用量已经减少，但无纸办公室还不能成立，因为纸肯定比其他载体用得更多，因为它使用方便、更通用、更安全，并且更从容。纸张消费水平是一个地区发展程度的标志，经济发展与纸张的需求成正比。通常，纸张需求与经济增长成对数关系，因为经济增长后，需要更多的纸张作为信息综合与包装用。亚洲目前是世界上发展最快的地区，所以纸的消耗速度，特别是书写用纸、印刷用纸与包装用纸，将比世界其他地区要高。亚洲对纸与纸板的大部分需求将在就地解决，需要淀粉作为一种关键的原料。由于亚洲当地木质纤维供应极有限，需要大量使用再生纸与农业纤维，所以亚洲造纸工业对淀粉的利用比例有可能会更高。亚洲变性淀粉消费比例也会增长，因为从造纸厂的经验看，它的经济效益比天然淀粉好。这些变性淀粉可以用在纸机湿部或表面处理上。