影響生活用紙吸收性能的因素

生產(chǎn)生活用紙所用的纖維原料大多為植物纖維，主要由纖維素、半纖維素和木素等成分組成。纖維素是由D-葡萄糖以β-1,4糖苷鍵組成的單一多糖，分子鏈上的一部分羥基通過氫鍵與另一個纖維素分子鏈相連接，剩下的一部分羥基稱為游離羥基。游離羥基具有親水性，可與水分子發(fā)生氫鍵結合，從而吸附水分子。纖維的結晶區(qū)結構相當穩(wěn)定，水分一般難以進入纖維的結晶區(qū)，對紙張吸水性能影響不大。而纖維無定形區(qū)結構比較松散，表面存在很多游離羥基，當水分子進入纖維內(nèi)部后，這些游離羥基因具有極強的親水性，會吸附水分子，所以纖維無定形區(qū)體積及內(nèi)部極性羥基的含量決定了纖維本身的吸水性能^[6]。

木素的存在使纖維素分子鏈上的游離羥基含量下降，對纖維的吸水性能產(chǎn)生了不利影響。Eriksson等人^[7]經(jīng)過研究表示，木素的剛性性質會對纖維的吸水潤脹有抵抗作用。另一項研究也得到了相似的結論^[8]：通過去除紙漿中60%的木素，發(fā)現(xiàn)纖維吸水量可達2~4 g/g；水溫高于木素的軟化點時，吸水量還會增加。生活用紙的原料大多為漂白化學木漿，木素含量較低。根據(jù)Beuther等人^[9]的研究，主要由漂白硫酸鹽木漿制成的生活用紙能夠吸收比本身質量大5~10倍的水。

另一個影響纖維吸收性能的因素是纖維本身的空腔體積。纖維是一個管狀結構，其內(nèi)部具有纖維空腔，直徑在微米范圍內(nèi)，使纖維可以通過毛細管效應快速吸取水分，水分在進入纖維空腔后一部分和無定形區(qū)的游離羥基結合，一部分則留在空腔內(nèi)。

纖維在紙張中彼此交織形成孔隙結構，使生活用紙中有許多孔隙通道^[10]。孔隙通道直徑較小，紙張可以通過毛細管效應將水分吸入孔隙通道。

蔡文祥^[11]發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)的植物纖維具有不同的吸收性能。通過對不同原料抄造的定量均為22 g/m²的生活用紙進行吸水率測定發(fā)現(xiàn)，以棉漿為原料的生活用紙吸水率為58.0 mm/100 s；以木漿為原料的生活用紙吸水率為26.0 mm/100 s；以二次回用漿為原料的生活用紙吸水率為24.0 mm/100 s；以麥草漿為原料的生活用紙吸水率為17.0 mm/100 s。棉漿具有比一般植物纖維更大體積的纖維空腔和更高的游離羥基含量，因此具有較高的吸收性能；木漿作為生活用紙生產(chǎn)中最普遍的原料，是除棉漿外吸收性能最高的植物纖維之一。

總體來說，纖維對于生活用紙吸收性能的影響主要由微觀上游離羥基的含量、纖維本身空腔體積的大小和纖維交織成紙后所產(chǎn)生的孔隙結構所決定。

打漿通過機械剪切力和纖維之間摩擦力等對紙漿纖維產(chǎn)生一系列的結構變化^[12]。通過控制打漿條件，可有效破除紙漿纖維的初生壁和次生壁，將次生壁中大量的纖維素羥基暴露出來，使纖維細胞通過縱向分裂作用發(fā)生分絲帚化和細纖維化現(xiàn)象，這會對纖維細胞產(chǎn)生橫向切斷作用，產(chǎn)生更多新的纖維壁腔端口，對胞腔通過毛細管效應吸水產(chǎn)生一定的積極作用，會在一定程度上改善纖維的吸水性。但是過度打漿可能會增加紙張的緊度，從而降低紙張的孔隙率，對紙張吸收性能產(chǎn)生不利影響。纖維種類不同，打漿對纖維吸收性能的作用也會有所變化。

管敏^[13]通過對高得率竹漿和硫酸鹽竹漿為原料的生活用紙原紙在不同打漿度下的吸水量進行研究。發(fā)現(xiàn)在20~30°SR下，2種竹漿原紙的吸水量呈較高的水平，竹漿纖維與木漿纖維不同，其纖維較為挺硬，在打漿過程中，竹漿纖維難于切斷，所以在20~30°SR之間，竹漿原紙吸水量會有一段升高；但隨著打漿的進行，竹漿原紙的吸水性逐步下降。過度打漿增加了纖維表面分絲帚化的程度和漿內(nèi)細小纖維的含量，使纖維在成紙的過程中，彼此間的交織次數(shù)增多，導致原紙的緊度增加；細小纖維的存在，則導致原紙孔隙率的下降，從而降低了原紙的吸水量。

蔡文祥^[11]通過對不同打漿度下紙漿的吸水率進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著打漿度的升高，生活用紙原紙的吸水率逐漸降低。通過使用克列姆法對不同打漿度下定量為15 g/m²的生活用紙進行吸水率測定，發(fā)現(xiàn)打漿度為25°SR時，吸水率為26 mm/100 s；打漿度為36°SR時吸水率為25 mm/100 s；打漿度為46°SR時吸水率為20 mm/100s；打漿度為65°SR時吸水率為19 mm/100 s?？肆心贩ū举|上是根據(jù)所測原紙的毛細吸液速率來比較不同原紙之間吸水性能（主要是吸液速率）的測試方法。隨著打漿度的增加，原紙的緊度增大而孔隙率下降，導致原紙的毛細管效應逐漸減弱，從而導致原紙吸水速率的下降。

Gigac等人^[14]通過對不同漿料所制成的生活用紙吸收率進行研究，發(fā)現(xiàn)當ECF漂白亞硫酸鹽漿打漿度從20°SR增加到50°SR時，生活用紙吸收率從245%降至195%（質量百分比）；TCF漂白亞硫酸鹽漿打漿度從14°SR增至45°SR時，生活用紙吸收率從270%降至190%（質量百分比）；TCF漂白樺木漿打漿度從24°SR增至44°SR時，生活用紙吸收率從285%降至245%（質量百分比）；ECF漂白桉木漿打漿度從25°SR增至49°SR時，生活用紙吸收率從275%降至230%（質量百分比）。該研究通過不同處理方法得到木漿原料，隨著打漿度的增加，成紙后原紙的吸收率都出現(xiàn)了下降，說明了過度打漿確實會造成原紙吸水性能的下降。

在生活用紙的生產(chǎn)過程中，起皺是一個非常重要的過程。起皺技術主要是用來提高生活用紙的柔軟度，可在一定程度上改善生活用紙原紙的吸收性能。生活用紙原紙起皺后，其縱向伸長可提高8倍，紙張厚度增加3倍，挺度下降38%，強度下降70%^[15]。

起皺過程中，起皺率也會對生活用紙的吸收性能造成影響。Tiago等人^[16]使用漂白硫酸鹽桉木漿為原料生產(chǎn)生活用紙，發(fā)現(xiàn)隨著起皺率的升高，生活用紙的吸收性能也逐漸升高。未起皺的生活用紙吸水量為6.1 g/g；起皺率為5%的生活用紙吸水量為8.0 g/g；起皺率為10%的生活用紙吸水量為8.1 g/g；起皺率為15%的生活用紙吸水量為8.1 g/g；起皺率為20%的生活用紙吸水量為8.4 g/g，起皺工藝使紙張的吸收能力提升了34%。

生活用紙紙機的干燥部是影響生活用紙吸收性能的一個重要因素。生活用紙行業(yè)最常用的2種干燥方式是揚克烘缸干燥和熱風穿透干燥技術（TAD）。揚克烘缸干燥操作過程中會對生活用紙原紙進行起皺處理。研究表明，揚克烘缸干燥起皺改善了生活用紙原紙的松厚度和吸收性能，但由于干燥過程中會對原紙產(chǎn)生較大的壓力，導致實際生產(chǎn)中生活用紙原紙的吸收性能下降^[17]。

TAD干燥技術可使熱風直接穿過紙張，實現(xiàn)生活用紙的干燥。TAD干燥速率為170~500 kg/(h·m²)，比揚克烘缸干燥速率（50~100 kg/(h·m²)）高得多，TAD不僅以更快的速度對生活用紙進行干燥，還解決了因為揚克烘缸壓力過大引起紙張松厚度降低等問題，所以采用TAD技術制造出的紙張透氣度、松厚度和吸收性能更好。在生活用紙的干燥過程中，傳統(tǒng)揚克烘缸熱風氣罩里的空氣最高溫度被限制在510℃以下，大多數(shù)廠家會加速熱風的噴出速率，致使成本提高。因此在實際生產(chǎn)中，揚克烘缸干燥和TAD熱風干燥會被結合起來使用，以降低生產(chǎn)成本。實驗證明，起皺干燥方式不同，效果有明顯的區(qū)別。

圖1是不同起皺干燥方式的紙張橫截面SEM圖。未加揚克烘缸的熱風干燥技術（UCTAD）比加揚克烘缸的熱風干燥技術（C-TAD）的起皺干燥效果更好；與輕度干法起皺（LDC）相比，使用C-TAD技術，干燥之后紙張起皺更好；由于生活用紙原紙內(nèi)部結合緊密，UCTAD技術干燥后的生活用紙原紙表面較挺硬，但由于紙張承受壓力小，生活用紙松厚度更高^[18]。所以，在不考慮成本的情況下單獨使用熱風干燥技術可有效改善生活用紙松厚度，從而提高其吸收性能。

圖1  不同干燥方式的紙張橫截面SEM圖^[18]

Fig. 1  SEM images of cross-section of paper from different drying methods^[18]

近年來，生活用紙設備生產(chǎn)廠家對紙機進行了許多改進，推出一種新的帶式成形生活用紙的紙機概念^[19]，以提高生活用紙的吸收性能。一般情況下，紙機成形網(wǎng)具有一定的平面結構，這樣使紙幅在上網(wǎng)后也呈現(xiàn)出平整的狀態(tài)，而改進后的紙機能賦予成形網(wǎng)一定的3D波浪結構，使紙幅在上網(wǎng)后和揚克烘缸干燥前就隨成形網(wǎng)呈現(xiàn)出同樣的3D立體結構。Raunio等人^[19]建立一種針對此類紙機的在線質量評價機制，發(fā)現(xiàn)這種帶式成形紙機所生產(chǎn)出來的生活用紙的吸收性能與經(jīng)過揚克烘缸所生產(chǎn)的生活用紙的吸收性能相比增加了50%~80%，相較熱風干燥技術則增加了80%~100%。通過比較3者的能耗，帶式紙機的能耗甚至低于揚克烘缸紙機，并且所生產(chǎn)出來的生活用紙的吸收性能更高?？偟膩碚f，如果能很好解決紙機運行時因干燥操作對紙張產(chǎn)生壓力導致的紙張緊度的降低問題，會進一步改善生活用紙原紙吸水性。

在實際生產(chǎn)生活用紙的過程中，大多數(shù)生活用紙生產(chǎn)廠家為了在節(jié)約成本的同時提高其吸收性能，會使用3層甚至4層生活用紙原紙層合的方式去保證生活用紙產(chǎn)品的質量。直接將生活用紙原紙層合在一起，不用經(jīng)過壓花等操作，而通過增加原紙數(shù)量以達到提升吸收性能的目的，降低生產(chǎn)成本。

一般認為2層紙比1層紙具有更高的吸收性能，當2層或多層紙張壓在一起時，紙張層間會形成層狀流動通道，這種結構會大大降低黏性流動阻力，增加其吸水速率，并且額外的層數(shù)也會增加吸水空間，提高其吸水量^[25]，通?？臻g增加的吸水量比紙張原本的吸水量更多，使得多層紙的吸收能力大大提升。

Loebker等人^[26]對生活用紙的層數(shù)進行了研究，使用不同的層間結合方式，分別將原紙在濕態(tài)下（CWP）和在干燥后（TAD）進行層間結合，并與單層紙的吸水量進行對比，發(fā)現(xiàn)單層CWP的吸水量為0.66 g/g；雙層CWP的吸水量為6.6 g/g；單層TAD的吸水量為13.8 g/g；雙層TAD的吸水量為16.2 g/g。說明生活用紙原紙通過多層結合的吸收性能優(yōu)于單層原紙，而在干燥后結合的紙吸收吸能優(yōu)于干燥前結合的原紙。