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(guò)氫鍵與另一個(gè)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(jié)合，從而吸附水分子。纖維的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定，水分一般難以進(jìn)入纖維的結(jié)晶區(qū)，對(duì)紙張吸水性能影響不大。而纖維無(wú)定形區(qū)結(jié)構(gòu)比較松散，表面存在很多游離羥基，當(dāng)水分子進(jìn)入纖維內(nèi)部后，這些游離羥基因具有極強(qiáng)的親水性，會(huì)吸附水分子，所以纖維無(wú)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(duì)纖維的吸水性能產(chǎn)生了不利影響。Eriksson等人^[7]經(jīng)過(guò)研究表示，木素的剛性性質(zhì)會(huì)對(duì)纖維的吸水潤(rùn)脹有抵抗作用。另一項(xiàng)研究也得到了相似的結(jié)論^[8]：通過(guò)去除紙漿中60%的木素，發(fā)現(xiàn)纖維吸水量可達(dá)2~4 g/g；水溫高于木素的軟化點(diǎn)時(shí)，吸水量還會(huì)增加。生活用紙的原料大多為漂白化學(xué)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(zhì)量大5~10倍的水。

另一個(gè)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(gè)管狀結(jié)構(gòu)，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(guò)毛細(xì)管效應(yīng)快速吸取水分，水分在進(jìn)入纖維空腔后一部分和無(wú)定形區(qū)的游離羥基結(jié)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(jié)構(gòu)，使生活用紙中有許多孔隙通道^[10]?？紫锻ǖ乐睆捷^小，紙張可以通過(guò)毛細(xì)管效應(yīng)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(guò)對(duì)不同原料抄造的定量均為22 g/m²的生活用紙進(jìn)行吸水率測(cè)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(lái)說(shuō)，纖維對(duì)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(jié)構(gòu)所決定。

打漿通過(guò)機(jī)械剪切力和纖維之間摩擦力等對(duì)紙漿纖維產(chǎn)生一系列的結(jié)構(gòu)變化^[12]。通過(guò)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(lái)，使纖維細(xì)胞通過(guò)縱向分裂作用發(fā)生分絲帚化和細(xì)纖維化現(xiàn)象，這會(huì)對(duì)纖維細(xì)胞產(chǎn)生橫向切斷作用，產(chǎn)生更多新的纖維壁腔端口，對(duì)胞腔通過(guò)毛細(xì)管效應(yīng)吸水產(chǎn)生一定的積極作用，會(huì)在一定程度上改善纖維的吸水性。但是過(guò)度打漿可能會(huì)增加紙張的緊度，從而降低紙張的孔隙率，對(duì)紙張吸收性能產(chǎn)生不利影響。纖維種類不同，打漿對(duì)纖維吸收性能的作用也會(huì)有所變化。

管敏^[13]通過(guò)對(duì)高得率竹漿和硫酸鹽竹漿為原料的生活用紙?jiān)堅(jiān)诓煌驖{度下的吸水量進(jìn)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(guò)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(huì)有一段升高；但隨著打漿的進(jìn)行，竹漿原紙的吸水性逐步下降。過(guò)度打漿增加了纖維表面分絲帚化的程度和漿內(nèi)細(xì)小纖維的含量，使纖維在成紙的過(guò)程中，彼此間的交織次數(shù)增多，導(dǎo)致原紙的緊度增加；細(xì)小纖維的存在，則導(dǎo)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(guò)對(duì)不同打漿度下紙漿的吸水率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著打漿度的升高，生活用紙?jiān)埖奈手饾u降低。通過(guò)使用克列姆法對(duì)不同打漿度下定量為15 g/m²的生活用紙進(jìn)行吸水率測(cè)定，發(fā)現(xiàn)打漿度為25°SR時(shí)，吸水率為26 mm/100 s；打漿度為36°SR時(shí)吸水率為25 mm/100 s；打漿度為46°SR時(shí)吸水率為20 mm/100s；打漿度為65°SR時(shí)吸水率為19 mm/100 s。克列姆法本質(zhì)上是根據(jù)所測(cè)原紙的毛細(xì)吸液速率來(lái)比較不同原紙之間吸水性能（主要是吸液速率）的測(cè)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(dǎo)致原紙的毛細(xì)管效應(yīng)逐漸減弱，從而導(dǎo)致原紙吸水速率的下降。

Gigac等人^[14]通過(guò)對(duì)不同漿料所制成的生活用紙吸收率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ECF漂白亞硫酸鹽漿打漿度從20°SR增加到50°SR時(shí)，生活用紙吸收率從245%降至195%（質(zhì)量百分比）；TCF漂白亞硫酸鹽漿打漿度從14°SR增至45°SR時(shí)，生活用紙吸收率從270%降至190%（質(zhì)量百分比）；TCF漂白樺木漿打漿度從24°SR增至44°SR時(shí)，生活用紙吸收率從285%降至245%（質(zhì)量百分比）；ECF漂白桉木漿打漿度從25°SR增至49°SR時(shí)，生活用紙吸收率從275%降至230%（質(zhì)量百分比）。該研究通過(guò)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(shuō)明了過(guò)度打漿確實(shí)會(huì)造成原紙吸水性能的下降。

在生活用紙的生產(chǎn)過(guò)程中，起皺是一個(gè)非常重要的過(guò)程。起皺技術(shù)主要是用來(lái)提高生活用紙的柔軟度，可在一定程度上改善生活用紙?jiān)埖奈招阅?。生活用紙?jiān)埰鸢櫤?，其縱向伸長(zhǎng)可提高8倍，紙張厚度增加3倍，挺度下降38%，強(qiáng)度下降70%^[15]。

起皺過(guò)程中，起皺率也會(huì)對(duì)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(jī)的干燥部是影響生活用紙吸收性能的一個(gè)重要因素。生活用紙行業(yè)最常用的2種干燥方式是揚(yáng)克烘缸干燥和熱風(fēng)穿透干燥技術(shù)（TAD）。揚(yáng)克烘缸干燥操作過(guò)程中會(huì)對(duì)生活用紙?jiān)堖M(jìn)行起皺處理。研究表明，揚(yáng)克烘缸干燥起皺改善了生活用紙?jiān)埖乃珊穸群臀招阅埽捎诟稍镞^(guò)程中會(huì)對(duì)原紙產(chǎn)生較大的壓力，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中生活用紙?jiān)埖奈招阅芟?/span>降^[17]。

TAD干燥技術(shù)可使熱風(fēng)直接穿過(guò)紙張，實(shí)現(xiàn)生活用紙的干燥。TAD干燥速率為170~500 kg/(h·m²)，比揚(yáng)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(duì)生活用紙進(jìn)行干燥，還解決了因?yàn)閾P(yáng)克烘缸壓力過(guò)大引起紙張松厚度降低等問(wèn)題，所以采用TAD技術(shù)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(guò)程中，傳統(tǒng)揚(yáng)克烘缸熱風(fēng)氣罩里的空氣最高溫度被限制在510℃以下，大多數(shù)廠家會(huì)加速熱風(fēng)的噴出速率，致使成本提高。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，揚(yáng)克烘缸干燥和TAD熱風(fēng)干燥會(huì)被結(jié)合起來(lái)使用，以降低生產(chǎn)成本。實(shí)驗(yàn)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(yáng)克烘缸的熱風(fēng)干燥技術(shù)（UCTAD）比加揚(yáng)克烘缸的熱風(fēng)干燥技術(shù)（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(shù)，干燥之后紙張起皺更好；由于生活用紙?jiān)垉?nèi)部結(jié)合緊密，UCTAD技術(shù)干燥后的生活用紙?jiān)埍砻孑^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(dú)使用熱風(fēng)干燥技術(shù)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(lái)，生活用紙?jiān)O(shè)備生產(chǎn)廠家對(duì)紙機(jī)進(jìn)行了許多改進(jìn)，推出一種新的帶式成形生活用紙的紙機(jī)概念^[19]，以提高生活用紙的吸收性能。一般情況下，紙機(jī)成形網(wǎng)具有一定的平面結(jié)構(gòu)，這樣使紙幅在上網(wǎng)后也呈現(xiàn)出平整的狀態(tài)，而改進(jìn)后的紙機(jī)能賦予成形網(wǎng)一定的3D波浪結(jié)構(gòu)，使紙幅在上網(wǎng)后和揚(yáng)克烘缸干燥前就隨成形網(wǎng)呈現(xiàn)出同樣的3D立體結(jié)構(gòu)。Raunio等人^[19]建立一種針對(duì)此類紙機(jī)的在線質(zhì)量評(píng)價(jià)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)這種帶式成形紙機(jī)所生產(chǎn)出來(lái)的生活用紙的吸收性能與經(jīng)過(guò)揚(yáng)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(fēng)干燥技術(shù)則增加了80%~100%。通過(guò)比較3者的能耗，帶式紙機(jī)的能耗甚至低于揚(yáng)克烘缸紙機(jī)，并且所生產(chǎn)出來(lái)的生活用紙的吸收性能更高?？偟膩?lái)說(shuō)，如果能很好解決紙機(jī)運(yùn)行時(shí)因干燥操作對(duì)紙張產(chǎn)生壓力導(dǎo)致的紙張緊度的降低問(wèn)題，會(huì)進(jìn)一步改善生活用紙?jiān)埼浴?/span>

在實(shí)際生產(chǎn)生活用紙的過(guò)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(shí)提高其吸收性能，會(huì)使用3層甚至4層生活用紙?jiān)垖雍系姆绞饺ケＷC生活用紙產(chǎn)品的質(zhì)量。直接將生活用紙?jiān)垖雍显谝黄?，不用?jīng)過(guò)壓花等操作，而通過(guò)增加原紙數(shù)量以達(dá)到提升吸收性能的目的，降低生產(chǎn)成本。

一般認(rèn)為2層紙比1層紙具有更高的吸收性能，當(dāng)2層或多層紙張壓在一起時(shí)，紙張層間會(huì)形成層狀流動(dòng)通道，這種結(jié)構(gòu)會(huì)大大降低黏性流動(dòng)阻力，增加其吸水速率，并且額外的層數(shù)也會(huì)增加吸水空間，提高其吸水量^[25]，通常空間增加的吸水量比紙張?jiān)镜奈扛?，使得多層紙的吸收能力大大提升?/span>

Loebker等人^[26]對(duì)生活用紙的層數(shù)進(jìn)行了研究，使用不同的層間結(jié)合方式，分別將原紙?jiān)跐駪B(tài)下（CWP）和在干燥后（TAD）進(jìn)行層間結(jié)合，并與單層紙的吸水量進(jìn)行對(duì)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(shuō)明生活用紙?jiān)埻ㄟ^(guò)多層結(jié)合的吸收性能優(yōu)于單層原紙，而在干燥后結(jié)合的紙吸收吸能優(yōu)于干燥前結(jié)合的原紙。