（纺织工程专业论文）高速剪切对浆液浆膜性能的影响[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 捅要 本课题是针对目前纺织行业中提出的少用或不用p v a 的问题和“绿色浆料” 的发展要求而采用的一种新型浆料加工工艺。此工艺在国内外其它行业中应用普 遍，而在国内纺织浆料上却未曾应用。 首先，本课题在查阅和参考相关文献的基础上，确定选用高速剪切均质机对 浆料进行剪切作用；其次，分析和比较了高速剪切均质作用对浆料的浆液浆膜性 能的影响。在剪切过程中，时间和转速是两个关键因素，因此本课题主要考虑了 时间和转速对浆料性能的影响。 本课题研究了高速剪切作用对单一浆料浆液浆膜性能的影响规律，得出高速 剪切作用降低了淀粉浆的粘度，提高了浆液的粘附力，浆膜的物理性能也有很大 的提高。同时考察了浆液粘度和浆膜物理性能与剪切转速和剪切时间的关系，总 结出粘附力的最佳工艺参数为：剪切转速6 0 0 0 r m i n ，剪切时间l o m i n 。而高速 剪切作用对合成浆料浆液浆膜的性能基本上无影响。 本课题对淀粉与合成浆料的混合浆浆液浆膜性能进行了研究，尤其是淀粉与 p v a 的混合浆进行了详细的分析。通过实验得出，高速剪切作用后，淀粉与i ) v a 混合浆的混溶性大大提高，粘附力和浆膜性能也有了增加。此外，淀粉与丙烯类 浆料经高速剪切后浆液浆膜性能也得到了改善。 从生产实际出发，本课题采用工厂对棉和棉涤配方来探讨高速剪切作用对 淀粉、p v a 和丙烯类浆料混合浆浆液浆膜性能的影响。结果表明，高速剪切作用 后，混合浆的浆液浆膜性能得到了提高，这意味着高速剪切作用应用= | _ 二实际q 二产 的可行性。 本课题还对高速剪切作用对糊化前淀粉的粒径及常规配方的浆料浆纱性能 进行t n 试。研究得出，高速剪切作用明显降低了淀粉的粒径，提高了浆料的浆 纱性能。 关键词：高速剪切浆料粘度粘附力浆膜性能 江南人学预i 漕 位论义 a b s t r a c t t h ep a p e rs t u d i e san e w t e c h n i q u eo fh i g h s p e e ds h e a r i n gh o m o g e n i z a t i o nf o r w a r ps i z i n g ，w h i c hi su r g e n t l yr e q u i r e di nt h ed e v e l o p m e n t “g r e e ns i z e i nt e x t i l e t r a d e t h i st e c h n i q u eh a sb e e ni n i t i a l l ya p p l i e dt ot e x t i l ei n d u s t r i e s ， a c c o r d i n gt o c o r r e l a t i v el i t e r a t u r e s ，t h eh o m o g e n i z a t i o nf u n c t i o n so nt h e p e r f o r m a n c eo fs i z es o l u t i o na n ds i z ef i l mb yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gi n b o t h i n t e m a la n di n t e m a t i o n a li n d u s t r i e s a sar e s u l t ，t h eh o m o g e n i z a t i o nw i t h t h e h i g h s p e e ds h e a r i n gi sa d o p t e da st h em e t h o do fe n h a n c i n gt h es i z i n gb e h a v i o r s t h eo r d e ro fh i g h s p e e ds h e a r i n gh o m o g e n i z a t i o no nt h ep r o p e r t i e so fs i n g l e s i z es o l u t i o na n df i l mj sr e s e a r c h e dj nt h ea r t i c l e t h ec o n c l u s i o ni so b t a i n e d ： h i g h s p e e ds h e a r i n gd e c r e a s e st h ev i s c o s i t yo fs t a r c hp a s t e ，i n c r e a s e st h ea d h e s i v e a b i l i t ya n df i l mp e r f o r m a n c e b a s e do nr e s e a r c h i n gt h er e l a t i o nb e t w e e ns t a r c hs i z e s a n dt h er o t a t i o ns p e e d ，t i m eo fs h e a r i n g ，t h ep a r a m e t e rf o ra c h i e v i n gs t r o n g e r a d h e s i o ni sf o u n db yt r e a t i n gt h ep a s t ew i t hs h e a r i n ga tar o t a t es p e e do f6 0 0 0r m i n ， i nap e r i o do f10 m i n h o w e v e r , t h eh i g h s p e e ds h e a r i n gh a sn oe f f e c to nt h e p e r f o r m a n c eo ft h es y n t h e t i cs i z ea g e n t t h ep a p e ra l s os t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo fp a s t e sa n df i l m so fs t a r c h s y n t h e t i c s i z e e s p e c i a l l y f o rt h eb l e n d e d p a s t e si n v o l v i n g p v a o u r e x p e r i m e n t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h ea d h e s i v ea b i l i t y , f i l mp r o p e r t y , a n dc o m p a t i b i l i t yo f s t a r c h p v ab l e n d e ds i z e si n c r e a s ea f t e rt h eh o m o g e n i z a t i o no fh i g h s p e e ds h e a r i n g i na d d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es i z ep a s t e sa n df i l m so fs t a r c ha n da c r y l i cs i z e h a sb e e ni m p r o v e db yt h es h e a r i n g a c c o r d i n gt ot h er e c i p eu s e di nc o t t o na n d o rc o t t o n p o l y e s t e rb l e n dy a r n si n o r d i n a r yf a c t o r i e s t h ep e r f o r m a n c eo fs t a r c h 、p v aa n da c r y l i cb l e n d e ds i z e i s r e s e a r c h e dt h r o u g hh i g h s p e e ds h e a r i n g i tw a sf o u n dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e b l e n d e ds i z ep a s t e sa n df i l mh a sb e e ne n h a n c e da f t e rh i g h s p e e ds h e a r i n g ，w h i c hi s f e a s i b l et op r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ei n f l u e n c eo f h i g h s p e e ds h e a r i n gu p o nt h es i z e so f s t a r c hp a r t i c l ea n du p o n t h eb e h a v i o r so fs i z e dy a r n si se v a l u a t e d i ti sd e m o n s t r a t e dt h a th i 曲一s p e e ds h e a r i n g r e d u c e ss t a r c hp a r t i c l es i z ea n di m p r o v e st h ep r o p e r t i e so fs i z e dy a r n s k e y w o r d s ：h i g h - s p e e ds h e a r i n g s i z i n ga g e n tv i s c o s i t y a d h e s i v ea b i l i t y s i z i n gf i l mp r o p e r t y 独创性声明 y9 6 7 8 8 9 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文巾作r 明 确的说明并表示谢意。 签名：鼻迸犟一日期：嘶乡月钿 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位沦义的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 导师签名：遂盔埕 日期：口年岁月厂日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 众所周知，人类自始以来都离不开衣、食、住、行，这充分说明了穿衣即纺 织品在人类生存必要条件中占有首要地位。而在纺织加工工序中，经纱上浆又成 为其一个相当重要的环节。俗语说：“浆纱一分钟，布机一个班”，即一分钟的经 纱上浆能影响织布一个轮班；在我国，纺织工人也将浆纱称为“老虎口”，这是 人们从长期生产实践中总结出来的经验，这些都形象地说明了经纱上浆在纺织加 工工艺中的特殊地位。上浆是织前准备最重要的道工序，上浆质量的好坏直 接关系到织造生产的产量、质量和效益。经纱在织机上织造时，要经受停经片、 综丝和钢筘等机件的反复摩擦；还要经受由于各种机构运动而产生的反复拉伸、 曲折及冲击【2 】。经纱上浆目的是贴伏纱线毛羽，增加纱线耐磨性、提高经纱的可 织性，保证产品质量、提高织机效率、降低成本。 经纱上浆效果主要取决于所用浆料的品种、质量、上浆性能和浆液组分的配 比。随着纺织工业的不断发展，新的浆料品种也层出不穷，基本上可满足不同品 种的经纱上浆要求。淀粉( 包括变性淀粉) 、p v a 及聚丙烯酸类浆料( 以下简称 丙烯浆料) 为经纱上浆的三大浆料。据有关统计资料报导，我国年耗用浆料约为 3 0 万吨，其中淀粉约占耗用量的7 0 ，聚乙烯醇约2 0 ，丙烯类浆料和其它约 为1 0 左右 3 。 原淀粉浆料上浆历史由来已久，其具有价格低廉，资源丰富，退浆性能优良 及易被微生物分解等特点，仍有较大的使用价值。但由于原淀粉浆液粘度高、粘 度热稳定性差，形成的浆膜粗糙、脆硬，浆液易凝胶等缺点，对疏水性的合成纤 维的粘附性能也很差，使其用受到了一定的限制。目前，纺织厂经纱上浆用的大 都为变性淀粉。变性淀粉主要分三大类：分解淀粉、淀粉衍生物和接枝淀粉，其 品种繁多，性能较原淀粉有改善 4 】 “。变性淀粉的制造方法主要有：化学法、物 理法、生物法【6 】。全球生产的变性淀粉产品中，采用化学法的约占8 0 ；物理 法约占1 4 ，其余为生物法生产【”。随着环保意识的加强，“生态纺织品”的提 出，对浆料也有了新的要求，即绿色浆料。具有生态特点的绿色浆料应 该是：在它的原料生成、浆料生产、上浆应用、退浆排放液的处理、以及纺织品 服装使用过程中，都应对人体无害、对环境无污染、可自然降解等的全过程 “。 在淀粉的化学变性过程中由于要使用化学试剂和存在后处理污水的问题，对环境 有一定污染。而物理变性采用高温、电子辐射、超声波、机械作用等方法对淀粉 进行处理，对环境无污染，更具有“绿色浆料”的发展潜力 虽然p v a 浆料对纤维有较好的粘附性，且浆膜强韧，耐磨性好，曾一度被 江南大学硕士学位论文 认为是最为理想的浆料。但因其内聚力大大超过其粘附力，在上浆过程中不仅 浆液表面易结皮，造成浆斑，影响上浆质量，而且分纱阻力大、浆纱毛羽多。 p v a 的印染加工也比较困难，退浆比淀粉浆复杂，对后整理工序有较大影响。 p v a 最致命的缺陷是对环境的污染，虽然其生物需氧量( b o d ) 很低，但化学 需氧量( c o d ) 却很高，后者使退浆废水对环境造成较大危害，严重影响人体健 康。随着绿色浆料的发展，用环保浆料代替p v a 上浆刻不容缓【8 j 。“少用 或不用p v a ” 9 1 己成为现代纺织浆料学者又一追求的目标。 在经纱上浆过程中，使用单一组分浆料往往不能满足织造要求，通常要使 用两种及多种混合浆料。混溶性是指两种组分的溶液能互相均匀地混和，即使 静置一定时间后，也不致分层的性能。常以分层脱混的时间称为分离速度 1 。 聚乙烯醇与淀粉混合使用，以互相弥补不足，获得良好的上浆效果。然而，淀 粉与p v a 在热力学上是不兼容的，在经纱上浆生产过程中，两种浆料组分在混 合浆液中及浆纱上( 烘干之前) 的相分离现象是客观存在的【l i 】【l ”。尽管浆料组 分间的热力学相溶性在经纱上浆中并不是必须的，但是淀粉和p v a 组分间地的 混溶性太差，会使浆液分层或沉淀，沉淀太多还会是配料成分受到破坏，产生 上浆不匀、浆纱起毛及浆斑疵点u3 1 ，严重影响上浆质量。 有关淀粉与p v a 类浆料混溶性的研究国内外有不少报道。混合浆浆液稳定 性方面的研究国内外也从淀粉的来源、淀粉的转化作用、淀粉的取代原子团、 p v a 分子结构、混合浆参数等方面进行分析与研究。淀粉与p v a 的混溶性也 与各组分的配比密切相关。混合浆中，当淀粉的比例高于7 0 以后，混合浆液 及易分离，不宜选用。为了改善淀粉与p v a 混合液的混溶性，一般加入具有乳 化作用的表面活性剂，例如：羧甲基纤维素( c m c ) 、羧甲基淀粉( c m s ) 等或加 入丙烯浆料。这些辅助浆料的加入，增加了浆料的混溶性，使混合后的浆液对 纱线的上浆质量及织布效率有很大的提高【l5 j “。然而，混合浆膜的性能不如单 一浆液的浆膜好【2 1 。因此，在上浆工艺中，浆液的混合组分越少越好。 丙烯料与其它浆料的混溶性好，与淀粉混合使用可起到稳定淀粉浆粘度的 作用，但其浆膜强度较差，再粘性较严重。部分丙烯类浆料由于吸湿性较高或 t 。较低，标准状态下不能成膜，或虽能成膜，但浆膜难以揭下，无法测试；丙 烯盐类浆料与淀粉的混合浆浆膜断裂伸长率较丙烯盐下降，断裂强度有所下 降；聚丙烯酰胺类浆料与淀粉混合后，磨耗增加，断裂伸长降低，同时恶化了 淀粉的浆膜的性能；丙烯浆料对淀粉会产生“反增塑”作用”。 高速剪切对液体状混合体进行处理，从而改变其性状，其属于物理变性。 单一原淀粉、淀粉与p v a 混合浆、淀粉与p v a 和丙烯酸类的混合浆液经过高 速剪切后，浆液浆膜性能发生了很大变化，例如，粘度降低、粘附力提高、浆 膜的断裂伸长及强力增加等，较原浆液浆膜性能有了很大改善。 第一章绪论 1 2 高剪切均质技术研究进展 均质是使悬浮液( 乳化液) 体系中的分散相颗粒分散化、均匀化的处理过 程，可以起到降低分散颗粒的尺寸和提高分散颗粒分布均匀性的作用【l 。在工 业生产中，均质作业常常是一项不可缺少的单元操作，均质技术己成为一种新 型微米技术【1 9 1 2 0 1 。随着人们对均质乳化作用的不断认识和研究，均质技术得到 了迅猛的发展，相应地出现了多种不同形式的均质机，其中典型的有高压均质 机、离心式均质机、胶体磨、超声波均质机和剪切式均质机。高压均质机、离 心式均质机、超声波均质机由于其结构复杂、成本高、能耗大、维修不方便等 缺点，使得它们的应用有一定的局限性。高速剪切式定转子均质机，又称高剪 切均质泵【2 ”。剪切式定转子均质机的发展历史并不长，自从8 0 年代初欧美、 日本等发达工业国家才广泛使用高剪切乳化设备 2 2 1 2 3 】【2 4 】。尤其近年来，以其独 特的剪切分散机理和低成本、超细化、高质量、高效率等优点在众多的工业领 域中得到普遍应用，并在某些领域逐渐地替代传统的均质机。 高剪切均质机作为一种更高效的均质分散装置，由于其具有其独特的高剪 切均质机理，以及均质粒度小( 可达l u m 以下) 、稳定性好、能耗低、对材质 无特殊要求等特点，在众多任务业领域发挥着它的优越性，得到迅猛发展【2 5 】【2 。 例如，在化工、食品、制药、化妆品、涂料、生物工程、石化等三十多个行业 中得到了广泛应用，并取得了一定成效。高剪切均质机最大的优点是它可以提 供高强的剪切和碰撞作用，混合、粉碎、分散、溶解、均匀、乳化为一体对物 料进行有效处理，如图卜1 所示物料粉碎均质过程示意图，最后使物料达到理 想的效果f 27 1 。 甄长i _ - ( a ) 物料粉碎前状态( b ) 层流条件下物料状态( c ) 湍流条件下物料状态( d ) 物料粉碎后状态 图1 - 1 物料粉碎均质过程示意图 高剪切均质机利用湍流所产生的高剪切力场、空穴效应以及流场中物料颗 江南大学硕士学位论文 粒之间的碰撞，使物料颗粒破碎细化【2 8 】。由图卜1 可知，物料在高速剪切过程 中的状态根据流体流动状态与均质时间的不同而有很大差别，湍流情况下物料 粉碎效果明显比层流状态下粉碎效果好。 1 3 高速剪切均质机理 所谓高速剪切均质是指液一液或液一固相混合物经过高速剪切，使悬浮液 或乳化液体系中的分散相颗粒分散化、均匀化，降低分散颗粒的粒径和提高分 散颗粒分布均匀性的作用，以得到具有良好稳定性的产品。国内使用的高剪切 均质机主要工作部件为一级或多级相互啮合的定转子，每级定转子又有数层齿 圈。其工作原理为口：转子带有叶片高速旋转产生强大的离心力场，在转子中 心形成很强的负压区，料液从定转子中心被吸入，在离心力的作用下，料液由 中心向四周扩散，在向四周扩散过程中，料液首先受到叶片的搅拌，并在叶片 端面与定予齿圈侧窄小间隙内受到剪切，然后进入内圈转齿与定齿的窄小间隙 内，在机械力和流体力学效应的作用下，产生很大的剪切、摩擦、撞击以及料 液间的相互碰撞和摩擦作用而使分散相颗粒或液滴破碎，从而达到均质乳化目 的。同时，在转子中心负压区，当压力低于液体的饱和蒸汽压( 或空气分离压) 时，产生大量气泡，气泡随液体流向定转子齿圈中被剪碎或随压力升高而溃灭。 溃灭瞬间，在气泡的中心形成一股微射流，射流速度可达l o o m s ，甚至3 0 0m s ， 其产生的脉冲压力接近2 0 0 m p ，这就是空穴效应。强大的压力波可使软性、半 软性颗粒被粉碎，或硬性团聚的细小颗粒被分散。如图1 2 所示定转子工作原 理图。 辫幅 第一章绪论 1 4 高速剪切均质机在工业中的应用 1 4 1 在食品工业中的应用 1 4 1 1 在豆制品类方面 均质是生产优质植物蛋白饮料不可缺少的工序。可防止脂肪上浮，能使吸 附于脂肪球表面的蛋白质量增加，缓和变稠，能提高产品消化性，增加成品的 光泽度，改善成品的口感，提高产品的稳定性。 1 4 1 2 在乳制品类方面【3 1 淡乳制品中不加糖，长期放置其上部容易出现稀奶油层，可因振动形成奶 油粒，使其商品价值显着降低。为防止这种缺陷，必须进行均质处理，使脂肪 球变小，增加表面积，从而增加脂肪球表面的酪蛋白吸附量，使脂肪球的比重 增大，上浮能力变小。 1 4 1 3 在果蔬汁饮料类方面1 3 副 均质是浑浊果蔬汁饮料制造中的特有工序，均质的目的是使混合果蔬汁中 的不同粒度，不同相对密度的果肉粒度进一步破碎并使之均匀，促进果胶渗出， 增加果汁与果胶的亲和力，抑制果蔬汁分层和产生沉淀现象，使果蔬汁保持均 一稳定。 1 4 2 在化妆品工业中的应用1 3 随着生活水平的提高，人们对化妆品的要求除了有护肤的效果外，还需要具 有各种特殊功效，如：保湿、调理、美白祛斑、防晒、杀菌、清除自由基、 清凉、香味、抗皱等。在个人护理品中功效活性物质的加入更需要化妆品具有 良好稳定性。为达到这一目的，均质是一不可缺少的工序。通过均质作用，各成 分之间的混溶性大大提高，也使产品的稳定性得到了加强。 1 4 3 在制药工业中的应用【3 4 】 根据固体剂型的溶出方程，可知难溶性药物的溶解与比表面积有关，粒子越 小，比表面积越大，溶解性能就好，疗效就高。制成的“纳米药物制剂”就是将水 溶性不佳或难溶药物的分子制成囊状物或包在聚合物基质中加工成纳米颗粒，增 大了药物的溶解度，从而大大提高某些药物的生物利用度。该产品主要作用是获 取大量的纳米结构材料，将物质的大分子进行超微破碎、乳化、均匀、分散、粒 化成纳米级粒径的小分子。可见，均质起到了相当重要的作用。 江南大学硕士学位论文 1 5 本课题的研究任务及内容 就当前“绿色浆料”即“环保浆料”的发展情况来看，国内市场上能经得 起生态标志检验的，称得上名副其实的“绿色”变性淀粉似乎为数并不多。占 主导地位的化学变性存在着两个问题：一是浆料中所含的有毒、有害物质；二 使退浆后的降解处理问题【3 5 】。因此，物理变性这一具有环保潜能的变性淀粉开 发途径应提到日程上来。 淀粉的物理变性有高温、电子辐射、超声波、机械作用等方法，其中机械 作用也就是高速剪切均质在国内尚未见到报道。虽然，均质在食品、化工、制 药等行业以是一项较成熟且较完善的技术，但在纺织浆料上还是一片空白。国 外对于高速剪切均质在浆料方面的应用也只有一些简单的概述，未见其详细说 明口“。针对此情况，本课题采用德国i k a 公司的t 2 5 型高速剪切分散乳化机首 先对单一组分的浆料进行剪切作用，着重对剪切后的原淀粉浆液浆膜进行了测 试。而后对混合浆如：淀粉与p v a 、淀粉与p v a 及丙烯浆料等进行了较为系统 的研究。 高速剪切均质这一技术在其它行业成熟在纺织工业中具有创新，值得在纺 织浆料应用中开拓。高速剪切作用于原淀粉后，其各方面性能的改变值得研究。 高速剪切作用能耗低，操作简单，无任何污染，为进一步发展“绿色浆料”开 辟了新的前景。同时，高速剪切作用于混合浆后，其性能的改善需要我们探讨， 这对“高质量、多功能、少组分、系列化、少用或不用p v a ”的浆料发展方向 具有重要意义。 本课题研究的主要内容是利用高速剪切分散乳化机，以不同作用时间不同 的剪切转速作用于三大浆料，且混合浆按不同的比例组合进行研究、探讨。分 析了转速、时间、浆液浓度、浆液容量等因素对浆液性能及浆膜性能的影响规 律，然后分析转速、时间、各组分含量等因素对混合浆液性及浆膜性能的影响 规律，讨论了淀粉与p v a 浆料的混溶性，并进一步研究了混合浆的其它性能进 行。 6 第二章高速剪切对淀粉浆液浆膜性能的影响 第二章高速剪切对淀粉浆液浆膜性能的影响 2 1 原淀粉基本性能 淀粉作为经纱上浆的主要浆料，已有悠久历史【l 】。我国元朝已采用小麦粉作 为浆料。国外在1 8 2 1 年己使用糊精作为浆料，最初是以小麦淀粉为主，不久， 其它淀粉也有生产与应用。淀粉存在于某些植物的种子、块茎、块根或果实中。 目前工业上主要应用的原料为谷物类作物玉米、小麦和薯类作物马铃薯、木薯、 甘薯等，其中以玉米用量最大。玉米是高产、快熟作物，种植地区广，籽粒含淀 粉量高，副产品种类多，价值高，又易于运输和储存，工厂全年生产，具有不受 季节和地区限制的优点 3 ”。 2 1 1 淀粉的化学结构 淀粉是由a 一葡萄糖缩聚而成的高分子化合物，是一种高聚糖。图2 1 给出 了淀粉的化学结构，其分子式为( c 6 h i 0 0 5 ) n ，其中n 为一个大分子中葡萄糖剩 基个数，通常称之为聚合度，c 6 h l 0 0 5 为脱水葡萄糖单位。 早在1 9 世纪初期，已知淀粉是由葡萄糖剩基组成的多糖【2 j 。由于a 一葡萄 糖在缩聚成淀粉时，大分子的缩聚方式不同，淀粉可分离出两种不同结构的组 分一直链淀粉和支链淀粉。两者结构上的差异，使其性质也有明显区别。 h c 恳h 2 0 h 卜露 2 1 1 1 直链淀粉 直链淀粉大分子只有葡萄糖基环间的1 ，4 甙键联结，分子呈长链线性。直链 淀粉的聚合度一般为2 5 0 - - 4 0 0 0 ，较支链淀粉聚合度低些。直链淀粉与碘呈蓝色 络合物，这可作为检测淀粉存在的方法。直链淀粉含量比例高，形成的薄膜较强 韧。直链淀粉的分子结构如图2 - 2 所示。 江南大学硕士学位论文 一o c h 2 0 h c h 2 0 hc h 2 0 h o h oo o ho h o 一 图2 - 2 直链淀粉分子结构 2 1 1 2 支链淀粉 支链淀粉大分子除了有葡萄糖基环间的1 ，4 甙键连接外，还有1 ，6 甙键及 少量的1 ，3 甙键联结。大分子呈分支型，平均聚合度约为6 0 0 - - 6 0 0 0 ，遇碘显紫 色。支链淀粉不溶于水，在水中能形成浆物。淀粉浆的粘度主要由支链淀粉形 成，具有较好的粘附能力。支链淀粉不会凝胶，薄膜脆弱。图2 3 为支链淀粉 化学结构。 图2 - 3 支链淀粉分子结构 2 1 2 淀粉的物理性质 纯粹的淀粉是白色或微带黄色、富有光泽的细腻粉末。粉末有许多细小颗 粒组成。颗粒外形随淀粉种类而异，有多角形、卵形以及不规则形状。玉米淀 粉颗粒较小，呈多角形。淀粉颗粒的表面较光洁，但有的粒子有凹痕，这可能 是由于其它粒子的挤压，或成长过程中与蛋白质结合所造成的形态。有些粒子 有明显的损伤，可能是淀粉厂分离淀粉时所造成的机械损伤；有些粒子有裂痕， 可能是烘燥条件太激烈，使得粒子内应力扩展的结果。工业淀粉的含水率较高， 一般为8 1 7 ，视空气的湿度而定。其中一部分是吸附水，另一部分是结 晶水。若要完全除去淀粉中所吸收的水分，可在真空中长时间加热或共沸蒸馏。 第二章高速剪切对淀粉浆液浆膜性能的影响 2 1 3 淀粉的化学性质 淀粉大分子结构中的甙键及羟基，决定着它的化学性质，也是淀粉各种变性 可能性的内在因素。甙键的断裂使淀粉聚合度降低，大分子降解。位于葡萄糖剩 基第6 碳原子及第2 、第3 碳原子上的羟基，基本上都有通常的伯醇、仲醇基团 的化学反应一氧化、醚化等反应能力。 2 1 4 高速剪切对淀粉的作用原理 高速剪切对淀粉的作用主要体现在支链淀粉结构的变化上。由于具有支链淀 粉分子的“树枝状结构”，高速剪切作用可截断部分支链，使其变成直链。也就 是说，经过高速剪切后，淀粉中支链淀粉含量减少，直链淀粉含量增加。支链淀 粉受作用结构模式如图2 4 。 2 2 实验 图2 4 支链淀粉受剪切作用简易示意图 2 2 1 试验材料和仪器 2 2 1 1 试验材料 玉米淀粉 玉米直链淀粉 二甲基亚砜 氢氧化钠( 9 6 0 ) 无水乙醇 9 5 乙醇 乙酸( 冰乙酸) 宜兴军达化工厂 德国c a r lr o t hk g 公司 上海化学试剂公司 上海化学试剂公司 上海振兴化工一厂 上海振兴化工一厂 宜兴市洋溪镇徐渎化工厂 江南大学硕士学位论文 盐酸 0 1 m o l 碘液 1 4 5 t e x 纯棉粗纱 1 4 5 t e x 涤棉粗纱( 6 5 3 5 ) 2 2 1 2 试验仪器 s 一2 1 2 恒速搅拌器 c s5 0 1 - - s p 超级数码恒温器 n d j - 7 9 旋转式粘度计 m p 2 0 0 b 型电子天平 1 0 1 一l 型电热鼓风干燥箱 恒温玻璃水槽 w m z k0 1 温度指示控制仪 ( 乌氏) 毛细管粘度计( 0 0 6 一o 7 ) g d 7 21 紫# b 可见光分光光度计 y g l 4 1 厚度测量仪 y 7 3 1 型抱合力机 b z 2 5 t n i sz w i c k 万能材料试验机 z w e i g l e 纱线耐磨仪 i k a 一2 5 剪切分散乳化机 铝合金属筐 2 2 2 试验方法 上海振兴化工二厂 无锡第一棉纺织厂 无锡第一棉纺织厂 上海申科机械研究所 重庆四达实验仪器厂 同济大学机械厂 上海精科天平厂 上海浦东跃欣科学仪器厂 上海医用仪表厂 上海医用仪表厂 中国医药上海化学试剂公司 上海分析仪器总厂 常州第二纺织机械厂 国营常州纺织仪器厂 德国 德国 德国 自制 2 2 2 1 淀粉分子量的测定例 2 2 2 1 1 试验操作 准确称取0 4 9 绝干的淀粉样品于烧杯中，加入6 0 m l 二甲基亚砜溶解，转移 至l o o m l 容量瓶中，用二甲基亚砜定容至刻度，摇匀。而后将其放在( 2 5 1 ) o c 的恒温槽中恒温，备用。 将乌氏粘度计( 见图2 5 ) 洗净后吹干，垂直放置于己恒温至( 2 5 1 ) 。c 的恒温槽中，水面应超过缓冲球2 c m ，并在粘度计管2 和管3 的管口接上乳胶管。 用移液管吸取l o m l 试样溶液，由管1 加入到粘度计中。用夹子夹紧管3 上的乳 胶管，使其不通气。将管2 的乳胶管连上注射器抽气，至溶液上升至缓冲球一半 时，移去注射器，打开管3 上乳胶管的夹子，使管2 、管3 通大气，此时缓冲球 中的液面逐渐下降。当液面降至定量球的上刻度线时，停止秒表，记录时间。重 复操作三次，每次流经时间相差不应超过0 2 s ，取三次平均值为初始浓度( c 。) 第二章高速剪切对淀粉浆液浆膜性能的影响 图 5 乌氏粘度计 1 一注i 夜管：2 一浏量毛细管：3 一气悬营： 4 一缓冲球：5 一上刻线；6 一定量球：t 一下刻线 的试样溶液的流程时间f 1 。 用移液管吸取5 m l 已恒温的二甲基 亚砜，由管1 加入粘度计。紧闭管3 上 的乳胶管，用注射器从管2 打气鼓泡3 5 次，使之与原来的l o m l 溶液混合均匀， 并将溶液吸上压下3 次以上，此时溶液 的浓度为2 3c 。，按上述步骤测得溶液 的流经时间f ，。再分别逐次加入5 m l 、 l o m l 、l o m l 二甲基亚砜，分别测得浓度 为1 2 c 。、1 3c o 、1 4c o 的流经时 间f ，、“、f ；。倒出溶液先用水洗净粘 度计，干燥后用二甲基亚砜冲洗几次，加入约l o 1 5 m l 二甲基亚砜，按上述步 骤测定溶剂流出时间t 。 2 2 2 1 2 计算 f 叩r 2 i ( 式2 一1 ) 式中：玑一相对粘度； t 一试样溶液的流经时间，s ； t o 一溶剂二甲基亚砜的流经时间，s 。 再按下式计算试样溶液的增比粘度呷。 叩。：盟：仉一1 2 寸邓r 叫 分别计算出f 。、f 1 、t 2 、t 3 、t 4 和f ，时的仉和。以c ，值( 各点的实际浓 度与初始浓度c 。的比值) 为横坐标，分别以叩，c ，和l n q ，c ，为纵坐标作图。 通过两组各点做直线，外至c 。= o ，求得截距h ，见图2 - 6 ( 若图上的两条直线不 江南大学硕士学位论文 能在纵轴上交于一点，则取两截距的平均值为h ) ，按下式计算特性粘度 _ 。 怍芑 ( 式2 3 ) 式中：切】一特性粘度，m l g ； c 。一试样溶液的初始浓度，g m l 。 u l 昏 量 任 d 、 图2 - 6 叩口c ，和l n r ，c ，与c ，的关系 2 2 2 2 淀粉中直链淀粉含量的测定【3 8 】 2 2 2 2 1 直链淀粉标准曲线的制备 精确称取直链淀粉4 0 m g ，放置于5 0 m l 三角瓶中，加入浓度为9 5 的乙醇 l m l 润湿，再加入9 m l l o m o l l 的n a o h 溶液，在沸水浴中加热l o m i n 使淀粉糊 化，而后冷却。待冷却后全量转移到l o o m l 容量瓶中，用蒸馏水稀释定容至刻度 线，浑匀，即得到0 4 m g m l 的直链淀粉标准溶液。 吸取1 、2 、3 、4 、和5 m l 标准液分别放入5 个l o o m l 容量瓶中，用i m o l 醋 酸酸化( 相应地分别加入0 2 、0 4 、0 6 、0 8 和1 o m l ) ，再加入2 m l 的碘液， 用蒸馏水定容至刻度，静止2 0 m i n 后，在波长6 2 0 h m 下用l c m 比色皿测定其吸光 值。以吸光值为纵坐标，直链淀粉的浓度为横坐标，绘制标准曲线，得出标准曲 线图。 2 2 2 2 2 直链淀粉含量的测定 准确称取样品l o o m g 置于5 0 m l 三角瓶中，如前法同样处理。先加入浓度为 9 5 的乙醇i m l 润湿，而后再加入1 o m o l l 的n a o h 溶液9 m l ，在沸水浴中加热 第二章高速剪切对淀粉浆液浆膜性能的影响 l o m i n 。使淀粉糊化，冷却后，用蒸馏水转移至l o o m l 容量瓶中稀释至刻度。 准确吸取5 m l 上述试液放入另一个l o o m l 容量瓶中，加入l m l 乙酸和2 m l 的 碘液，用蒸馏水定容至刻度，静止2 0 m i n 后，在波长6 2 0 n m 下用1 c m 比色皿测定 其吸光值，查标准曲线，即可得试样中直链淀粉的含量。 2 2 2 3 淀粉浆液粘度的测定3 9 l 2 2 2 3 1 试验步骤 按浓度为6 计算用天平称取折算成千基质量为2 4 9 的样品于5 0 0 m l 三颈烧 瓶内，加入蒸馏水，使水的质量与所称取的淀粉质量之和为4 0 0 9 。将三颈烧瓶 放在超级恒温槽上，装上冷凝器和搅拌器，并且闭密。打开升温装置、搅拌器和 冷凝器，慢慢加热并不断搅拌( 转速1 2 0 转分) 。 按粘度计所规定的操作方法进行校正调零。接通电源，在电机旋转下拧调零 螺丝，将指针调到零位，并重复开关，验证零位是否正确，并将仪器测定筒与保 温装置连接，打开保温装置，将已恒温好的测定筒放在托架上。 将测定筒和淀粉乳的温度通过保温装置分别同时控制9 5 ，记录到达时的 时间。待9 5 。c 保温半小时后，从烧瓶中吸取淀粉乳液，加入到粘度计的测量筒 内测定粘度。将转筒上的铜丝挂到转轴的挂钩上，这时转筒上端不应露出浆液面， 下端不应碰到底部，启动电机，转筒转动稳定后，用手左右移动测量筒，使转筒 逐渐处于测定器的中心位置，待指针稳定后，即可读数，记下粘度值。再过半小 时后，测定淀粉乳液的粘度，此时的粘度值为样品粘度。重复两次，计算算术平 均值。而后每隔3 0 分钟测定一次粘度值，共保温3 小时。 2 2 2 3 2 计算 粘度热稳定性( ) = 1 0 0 一粘度波动率( 式2 4 ) 粘度波动率是样品从升到9 5 。c 保温开始计时，每3 0 分钟测定一次粘度值， 共测定6 次( 3 小时) ，后5 次测定的粘度值的极差与9 5 保温1 小时的粘度值 的比值。 粘度波动率( ) = 竺塑! ：! | 。1 0 0 矾 ( 式2 5 ) 式中：n 。在9 5 保温l h 测得的粘度值，m p a s ； m a xn n1 升到9 5 。c 保温开始计时，每3 0 m i n 测定一次粘度 值，共测定6 次( 3 h ) ，后5 次测得的粘度值的极差。 2 2 2 4 粘附力 3 9 1 江南大学硕士学位论文 测定浆液粘附力主要有粗纱试验法和织物条试验法，现应用较多的是粗纱 法。因为粗纱本身的强力很低，在比较时粗纱本身的强力可以忽略不计，因此可 以用上浆后的粗纱断裂强度来表示浆液的粘附性能大小。此种试验方法的优点 是，与上浆实践所用的细纱情况相近似。它测得的粘附力，实际上是纤维与浆料 之间的粘附力与浆料本身内聚力的综合，即粘附力是浆液在粗纱内的粘附性能和 浆液在粗纱内形成的浆膜连续体断裂强度的综合反映。 测定步骤： l 、将试验用的浆液配制成1 浓度的浆液2 2 0 0 r a l ，置于烧杯中，加盖后放入 9 5 恒温水浴中调温3 0 m i n ，使浆液温度升到9 5 ，待用。 2 、要求选取1 4 5 t e x 纯棉粗纱和1 4 5 t e x 涤棉( 6 5 3 5 ) 粗纱，将粗纱轻 轻的绕在铝合金框架上，保持粗纱条不能伸长，待用。每次试验粗纱条共3 0 根。 3 、准备好的试样浸入步骤1 的浆液中，浸渍5 m i n 即将框架提出，挂起自然 晾干。 4 、将已晾干的试样从框架上剪下，在恒温恒湿( t = 2 0 ，r h = 6 5 ) 条件下 放置2 4 h ，然后在z w i c k 万能材料试验机上测试粗纱条的断裂强力( n ) 。 5 、计算断裂强力的平均值即为浆液粘附力。 2 2 2 5 淀粉浆料浆膜性能测试【3 9 】 浆膜性能的主要指标包括：厚度、断裂强度、断裂伸长率、磨耗、耐屈曲性 能、透明度等主要的六个测试指标。 2 2 2 5 1 浆膜制备 浆膜性能测试的首要问题是制备浆膜。为制得厚度均匀一致的浆膜，本课题 采用刮涂一恒温恒湿干燥法。利用特制的膜框，使用钢尺把调好的浓度为6 的 浆液在7 0 一8 0 时涂成一定厚度的均匀一层，自然干燥成膜后，放在恒温恒湿 ( t ：2 0 。c ，r h = 6 5 ) 房间内平衡2 4 h 后，细心地将浆膜从玻璃板上剥下，即为试 验用的浆膜。 2 2 2 5 2 浆膜厚度的测试 在y g l 4 1 厚度测量仪上测定浆膜的厚度( 加重盘重5 0 c n ) ，测量3 0 个点， 计算出厚度平均值。 2 2 2 5 3 浆膜断裂强度、断裂伸长率的测试 将浆膜裁成2 2 0 m m xl o m m 条状试样，在z w i c k 万能材料试验机上测试其断裂 强力和断裂伸长率( 隔距长l o o m m 、夹头下降速度为5 0 m m m i n ) ，试验2 0 次，计 算平均值。浆膜的断裂强度用下式计算： 第二章高速剪切对淀粉浆液浆膜性能的影响 d = _ 二一 。d k ( 式2 6 ) 式中：卜浆膜的断裂强度( n r a m 2 ) ； p 一浆膜的平均断裂强力( n ) ； d 一浆膜的平均厚度( m m ) ； k 一浆膜的宽度( m m ) 。 2 2 2 5 4 浆膜磨耗的测试 常用磨耗来表示浆膜耐磨性能的优劣。将浆膜裁成长度为2 0 0 m m ，宽度为 l o m m 的试样，在z w e i g l e 纱线耐磨仪上进行耐磨试验。试验时，选用k p 9 1 5 c 型 砂纸，加压重量为3 0 9 ，摩擦面积为6 5 c m 2 ，每次摩擦1 0 0 0 次，每种浆膜试验 次数为1 0 次，求其平均值。浆膜的磨耗用下式计算： 日：g ! 二g ! s ( 式 2 一7 ) 式中：h 一磨耗( m g c m 2 ) ； g 0 - 浆膜试验前质量( m g ) ： g ，一浆膜试验后质量( m g ) ； s 一作用面积( c m 2 ) 。 2 2 2 5 5 浆膜耐屈曲次数的测试 浆膜裁成长8 5 m m ，宽5 m l n 的试样，在y 7 3 1 抱合力机上测试。浆膜上端固定， 下端加5 9 负重，摩擦件的往复行程为l o c m ，往返速度为1 2 0 次分钟。每种浆 膜试验3 0 次，计算出平均值。 2 2 2 5 6 浆膜透明度的测试 浆膜裁成长5 c m ，宽l c m 的试样，在7 3 1 分光光度计上进行测试。打丌分 光光度计，将波长调到4 2 0 n m 处，预热3 0 m i n 。将浆膜放入l c m 的比色皿中， 空白实验同时放入，拉出光杆，读浆膜的透光率，一个样品做5 个，计算出平均 值。 2 2 2 6 高速剪切试验 本课题均对9 5 时开始计时，保温- d , 时后的浆液进行剪切试验( 除个别 注明外) ，采用不同的转速和时间对浆液进行剪切作用。 江南大学硕士学位论文 2 3 结果与分析 2 3 1 高速剪切对淀粉分子量的影响 高速剪切是剪切力对聚合物的作用。力作用的结果可表现为力降解、力结构 化、力合成及力化学流动等1 4 。对纯淀粉而言，首先是力的降解作用。表2 1 是在力的不同作用下淀粉溶液的特性粘度变化表。将淀粉溶于二甲基亚砜中，用 乌氏粘度计测得溶液的特性粘度，溶液特性粘度的变化可以表征淀粉分子量的变 化【4 ”。从表中的数据可以看出，糊化后的淀粉浆液，经过高速剪切后，分子量 迅速下降。淀粉大分子间的葡萄糖剩基由甙键相连，聚合度较高。糊化后的淀粉 呈胶体状分散液，高速搅拌时高的剪切力，不但使淀粉的粒子碎片破裂的更快、 更细小，同时淀粉大分子中的部分甙键断裂，使淀粉的聚合度降低，分子量下降。 淀粉分子量的下降还表现出对剪切转速和剪切