玉米淀粉在矿棉吸声板生产中应用的研究

由于矿棉吸声板在潮湿的环境与气候中吸湿而下挠，使产品的应用受到很大限制，如何开发适用于各种环境、用途的性能优良的矿棉吸声板，尤其是潮湿环境下使用的矿棉吸声板，已成为一项重要的研究课题，其中尤以粘结剂的改良研究为主。
1　粘结剂现状
　　粘结剂作为矿棉吸声板的主要原材料，它的作用是将杂乱无章的纤维在各个结点处粘结起来，形成一个多孔隙的、完整的隔热吸声板，并具有一定的强度。它对产品质量起着决定作用。可用作矿棉吸声板粘结剂的有玉米淀粉、木薯淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纤维素等。
    在早期的矿棉板生产、研发过程中，由于科技手段的局限，使我们对矿棉板生产的主要原材料——淀粉的认识一直囿于传统的误区：与木薯淀粉相比，玉米淀粉的粒径较大，在整个料浆体系中的分散性较差，对矿棉吸声板的后期强度发展的影响比较明显；同时，由于玉米淀粉中直链淀粉的聚合度较木薯淀粉低50％左右，干燥后，整个矿棉吸声板体系结构中结点的耐水膜的强度与耐水度会有较大波动。因此，1995年以前，国内矿棉板生产厂家大多以木薯淀粉为矿棉板粘结剂而拒绝采用玉米淀粉。
    玉米淀粉与木薯淀粉相比，有其自身不可替代的优势：木薯产于我国南方地区，形成大规模种植的也只限于广西、云南等省，因此木薯淀粉产量低、价格高；而星牌、龙牌等矿棉吸声板生产大厂均集中在黄河以北，因木薯运输成本较高，致使木薯淀粉生产成本居高不下，约2500元／t。玉米淀粉虽然粒径大，糊化温度低，在加热的早期过程粘度较低，但经过长时间的加热后，其粘度不降反升。另外，玉米在我国北方地区是一种较普及的农作物，有着极其广泛的原材料来源，而且生产加工工艺简单，便于就地取材，玉米淀粉约1400元／t，可降低成本。
2　理论基础
　　淀粉是一种量大、价低且稳定的天然聚合物。它由葡萄糖单元结合在一起，组成一种非还原性多羟基物质。它有许多羟基基团，所以淀粉对水有较强的亲和力。同时，当淀粉悬浮在水中时它体积增大，所吸收的水大致与自身质量相等。当温度逐渐增高时，在某一温度下，吸收水分量还会急剧增大。据淀粉类型不同，淀粉粒子体积可膨胀10～100倍。如果淀粉量大到能把所有水吸收的量，那么淀粉分散体会变得很粘稠。矿棉吸声板生产正是采用了上述机理，利用淀粉作为粘结剂。
    标准玉米淀粉主要由2种组分组成：直链淀粉和支链淀粉。在适当的条件下用丁醇沉淀分离，沉淀部分为直链淀粉，其主要是线型结构，与碘溶液作用呈蓝色，在浓溶液中可形成刚性凝胶，在稀溶液中可沉淀。在仔细分离后，95％被β－淀粉酶消化（这是一种测试直链性或无支链结构的方法），当溶液蒸发后直链淀粉形成强的耐水膜。
    支链淀粉高度支化（每14～21个葡萄糖结构单元有1个分支），遇碘溶液呈褐色至浅紫色，在室温下可保留在溶液中，经β－淀粉酶作用可溶解约55％，溶液蒸发后支链淀粉可形成弱的对水敏感的薄膜。
    标准玉米淀粉（精心分离后）含有1个其它的中间组分。这个组分可通过丁醇在原淀粉溶液中沉淀出来，但当水和丁醇加到溶于二甲基亚矾的直链淀粉中，这个组分就不再沉淀出来。这个中间组分可从不同溶液中用碘沉淀出来，它约占标准玉米淀粉总量的5％～7％。标准玉米淀粉全分析表明直链淀粉占25％～27％，支链淀粉占68％，中间组分占5％～7％。

    图1　蒸煮玉米淀粉的Brabender粘度曲线
    从图1玉米淀粉的Brabender曲线可以看出，与木薯淀粉相比，玉米淀粉虽然在糊化的初始阶段粘度发展很慢，但在矿棉板干燥过程中随着时间的延长及温度的降低，其粘度却逐渐增大。当温度慢慢地增加时，水的溶解能力改进，粒子被渗透并在糊化温度时粒子开始润胀，伴随分子分散的直链淀粉从膨胀了的粒子中被浸出。当膨胀了的粒子接触起来并在整个介质中形成一连续的统一体时，分散体的粘度增加许多倍。虽然较高温度降低液相的粘度，但是这不足以抵消溶解的直链淀粉浓度增加及膨胀了的粒子增加。以上这些特点恰好与目前矿棉吸声板厂的生产工艺条件相吻合，生产过程的检测数据也证实了这一点。
3　中试过程数据分析
　　正是基于上述理论，为使中试结果具有可比性，在生产中试阶段，我们打破常规直接以等量玉米淀粉替代木薯淀粉，将2000年6月8～9日采用木薯淀粉的板材材性与2000年11月27～30日采用玉米淀粉的中试结果统计如表1、表2所示。
表1  原板材性统计对比

     注：成品板指干燥后经后续刨平、喷涂、压花等加工后的板材。_x001a_
4　结　论
　　在矿棉吸声板生产中采用玉米淀粉，不但大大缓解北方地区粘结剂用料的长距离运输问题，而且降低了生产成本。采用玉米淀粉后，按降低成本0.30～0.40元/m2计算，一个年产400万m2的矿棉吸声板厂年可节支120～160万元。同时，工业用玉米淀粉作矿棉吸声板粘结剂也为我国北方地区大批量玉米利用又开辟新的思路，有益于农产品的深加工。