漆酶改善纸浆疏水性的研究

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纸张对液体的吸收性是某些纸产品(如纸杯、纸袋、包装箱或液体容器)的一个关键性能,也是影响施胶压榨以及印刷性能的重要因素。目前采用较多的方法是用疏水性物质对纸浆进行内部施胶或表面施胶。另外,因纤维素本身是亲水的,很容易因吸收水分而导致机械性能的丧失。这对于纸和纸板的应用(高的尺寸稳定性和低吸湿膨胀特性)来说是一个致命的缺点。生物酶作为催化生物化学反应的蛋白质,具有优于传统化学法的特点,如:可生物降解性、温和的反应条件、催化底物的专一性以及便于操作等。因此,生物酶改性纤维以其环保、无污染等特点而呈现出大的市场潜力和发展前景。漆酶因其底物的广谱性、反应物仅需氧气以及副产品只有水而受到广泛关注。本论文以未漂KP浆和OCC纸浆为原料,以纸张的施胶度为主要指标,研究了漆酶结合化合物改善纸浆疏水性的工艺方法和影响因素;探讨了该体系对纸张湿强度的影响;阐明了漆酶/化合物改善纤维特性的规律和特点;揭示了改善纸浆疏水性的作用机制;并探索了漆酶在改善纸浆纤维抑菌性方面的应用。论文为改善纸浆疏水性提供了一种环保型方法,主要结论如下:漆酶协同没食子酸月桂酯能够改善未漂KP浆的疏水性和湿强度。改善纸浆施胶度的最佳工艺条件为:漆酶用量30U/g,没食子酸月桂酯用量2%,反应时间2h,反应温度60℃,pH4.5,浆料浓度5%,手抄纸的干燥时间和干燥温度分别为30min和105℃。纸页的干燥方式对纸页的施胶度影响较大。25℃、50%RH的恒温恒湿条件干燥纸页可获得最大施胶度;最佳工艺条件下,与对照样相比,经漆酶/化合物处理后,纸浆的施胶度可提高10.5倍;纸张的内结合强度、湿抗张指数、湿/干抗张指数的比值、湿耐破指数分别增加了11.7%、31.1%、61.1%和178.8%;纸页的定量越大,漆酶/LG改善纸浆疏水效果越明显。漆酶/LG处理KP改善了纤维特性:纸浆的保水值和羧基含量降低、Kappa值上升;纸浆纤维的初始动态接触角从25°增加到了95°,且在0.4S内接触角维持恒定;表征纸浆纤维吸水性的Klemm值和Cobb值明显下降;纤维的表面电荷减少了23.6%,总电荷稍有增加;纤维粗度提高了26.7%。纸浆的抑菌性能显著改善。在漆酶/LG处理体系中,LG的参与促进了漆酶对纤维的反应活性;漆酶催化氧化LG在291nm波长处有紫外特征吸收,反应时间延长,产物浓度增加;纤维表面表征木素苯丙烷结构的C1由20.10%上升至23.54%,表征碳水化合物含量的C2由68.59%下降至64.57%,表征羧基含量的C4下降,C1/C2由29.3%上升至36.46%;残余木素的红外分析显示,LG连接在了木素上;纸浆经漆酶/LG处理后,纤维表面覆盖大量颗粒状非纤维素物质。漆酶/LG处理OCC浆,可使纸页的施胶度从1.1S增加到32.8S,内结合强度、湿环压指数、湿/干环压指数之比、湿抗张指数和湿/干抗张指数之比分别增加了9.1%、27.3%、30.8%、26.5%和37.2%;纸浆的静态接触角显著提高,纤维的Cobb值降低69.1%,纸浆纤维的保水值降低了17.53%,纤维粗度和卡伯值分别增加了33.9%和8%;OCC纸页的ATR-FTIR分析结果显示,漆酶可将LG接枝在纤维表面;ESEM分析可看出,漆酶/LG处理后纤维之间结合更加紧密,大量的非纤维状物质沉积在纤维之间,粘结力增强;AFM形貌图观察到,纤维表面覆盖大量非纤维颗粒状物质,它应该是LG接枝或自聚的结果。综合分析结果表明,疏水性化合物LG在漆酶的催化氧化作用下,与纤维木素产生的酚氧自由基,通过自由基之间的交联反应,接枝在纤维上,赋予纤维良好的疏水性能;LG的接枝或者LG自聚致使纤维之间共价键数量增加,增加了纤维之间粘合力,改善了纸张湿强度。
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