化學品助力生活用紙柔軟性能提升

Daniel Glover 巴克曼公司

隨著城市化進程的加速，人們對生活用紙產品的需求更加多樣化、復雜化。生活用紙化學品巨頭巴克曼公司紙漿和造紙技術總監Daniel Glover接受了Tissue World雜志的專訪，闡述了其對生活用紙柔軟性能的理解，并介紹了該公司最新的解決方案。

巴克曼公司紙漿和造紙技術總監Daniel Glover

柔軟生活用紙的具體配方通常是一項被妥善保護的商業秘密。雖然各個企業柔軟生活用紙的生產配方或標準作業程序可能不同，但行業內表示柔軟度的物理指標并不是秘密。松厚度、松厚度/定量比例、皺紋結構、強度和手感等物理指標均對柔軟度的評測有影響。如果不能應用適當的造紙化學品進行控制，每項物理指標都會受到影響。

松厚度用于衡量生活用紙的厚度，但與紙頁所含的纖維量息息相關。因此大多數生產商使用松厚度/定量比例作為參照，目的是利用最少的纖維實現紙頁最大的蓬松度。當然，通常這也決定了松厚度和定量作為參考的兩項指標，不同長度、扭結、卷曲和厚度的纖維直接影響著紙頁的松厚度，同時特定的生產流程和化學成分也影響著紙頁的最終松厚度。

因此，必須對紙漿進行磨漿，改變纖維形態增加氫鍵結合，達到最終紙頁的強度。然而，磨漿不僅把纖維切斷，更重要的是纖維被壓扁，同時伴隨松厚度的降低。在理想情況下，生產柔軟的廁用衛生紙不需要進行磨漿。

過去十年中，磨漿機和磨片的設計已經取得了巨大的進步，在對纖維進行最小程度的切斷和壓扁的同時，采用柔和的生產方式使纖維形態發生變化。但是磨漿仍造成了一定程度的纖維壓扁，降低了松厚度。理論上，生產商在降低磨漿和節省磨漿機能耗方面做的任何事情都應該可以提高紙頁松厚度。然而，實際上，松厚度并沒有得到改善，只是松厚度的降低減少到最小程度。一項新近開發的技術——酶輔助磨漿，可降低整體的磨漿能耗。

酶輔助磨漿借助酶的使用，特別是纖維素酶，有助于纖維素纖維外壁分層。并非任何纖維素酶都擁有這一作用，經過過去幾年的仔細研究，巴克曼公司已經鑒別出達到這一目的最有效的特定酶。

圖1 松厚度與磨漿能耗的關系

為了達到最高的活性水平，每一種酶都有各自最佳的pH值、溫度和接觸時間。每個給定時間內進行的相對反應數量決定了酶的活性水平。這些pH值、溫度和時間的活性曲線是正態分布曲線。在指定的pH值和溫度下使用酶，酶在漿料中的保留時間就變得很重要。例如，在磨漿前和纖維的接觸時間越長，則需使用的酶就越少。

這種情況下，最佳方法是將酶作為催化劑使用。酶促進這些反應或者破壞組成纖維素纖維外壁的化學鍵，且在這一過程中不會被消耗掉。一個酶可以催化成百上千個反應，所有這些反應或纖維素表面的變化為磨漿流程做準備。預處理可以使磨漿過程更加有效，減少磨漿或用更少的能耗達到相同水平的纖維形態變化，從而實現相同的最終紙頁強度。因此可以說，使用酶預處理能減少磨漿，從而改善紙頁松厚度。

圖1是從某個高檔生活用紙生產商處收集到的數據。使用漿料為長短纖混合漿，按照每噸漿酶產品用量250g來計算，磨漿機能耗大約可以降低50%，使得產品松厚度在相同的基礎上至少提高10%。

過去幾年中，人們耗費了大量的時間和精力為生活用紙生產尋找酶的功能助劑、鑒別原材料或原料組合以改善酶的活性。巴克曼公司的美國專利（專利號為8784613和8652301）中提到的新型功能助劑，可以提高酶的活性，減少生產過程中的使用量。這些專利產品包括巴克曼的Maximyze 2596和Maximyze 2597等。這兩種產品使用了不同的增強材料，但是都比之前的產品更加有效。

松厚度也可以反映紙頁的起皺程度。良好的皺紋結構，即每英寸具有足夠的皺紋條數，對柔軟生活用紙的生產至關重要。雖然對于結構化衛生紙機（即在揚克缸前通過氈、帶、毯或其他裝置形成一種三維結構）來說皺紋結構沒那么重要，但皺紋結構對于紙頁的柔軟度和手感而言仍然非常重要。

從傳統意義上來講，低定量干法起皺衛生紙機在紙頁進入揚克缸之前未形成三維結構，因此起皺更加重要。另外，起皺刮刀是將機械能傳輸到紙頁中的最后機會。

起皺化學品對賦予紙頁適當的皺紋結構至關重要。起皺粘缸劑和紙頁的緊密接觸是此流程的開始。起皺化學品必須在濕紙頁上到烘缸的那一刻與其接觸，并保證化學品一定程度地滲透到紙頁中，這一過程在揚克缸上進行，然后將紙頁傳遞至起皺刮刀，從而得到最終的皺紋結構。

這是對生活用紙生產流程中實際發生的事情進行的簡單解釋。本質是，若沒有優質的起皺化學品，不可能形成適合的皺紋結構。但是，如果條件合適，皺紋結構會增加紙頁松厚度和每英寸的皺紋條數，確保產品具備更好的手感（圖2和圖3）。

多年來，揚克缸涂層用化學品的開發多以該領域中研究人員和技術專家的研究及經驗為基礎進行。因為這些粘合劑都是聚合物，有時要了解聚合物的哪些物理特性可以形成更好的性能并不那么容易。巴克曼公司通過采用新技術和開發自己的專用測試方法，來識別影響柔軟性能的產品特征，以改善化學品的開發流程。測試的聚合物物理特性包括：分子量、玻璃化溫度、干燥速度、粘性及應力/應變模量。

巴克曼采用專利的應用測試方法試圖模擬在起皺之前、起皺過程中和起皺之后揚克缸表面發生的變化。物理特性測試和這些專利測試方法結合會產生更高效的產品開發流程，并可預測揚克缸的表面性能。

在這一領域新技術應用的最新進展是Bubond?2646。該款產品在物理特性方面是獨一無二的，超越了在低定量干法起皺衛生紙機上正常預期的功能。

圖4 Bubond? 系列產品對揚克缸的粘著力曲線

Bubond?2646從紙頁上缸到起皺刮刀處均可提供更好的粘著力，對揚克缸來說具有更實質性的好處，可形成優質的涂層。添加了高檔改性劑可軟化涂層，使之形成更好的調節能力、刮刀潤滑和運轉性能，同時增強紙頁拉伸力。

Bubond?2646的最新評估顯示和其他的競爭項目相比，它提高了紙頁松厚度。生產所用的設備是傳統的低定量干法起皺衛生紙機，采用原生闊葉木漿和文化用紙脫墨漿混合漿料。Bubond?2646的添加量為2.2～2.5mg/m2，改性劑用量為8～12mg/m2，可以使紙頁拉伸力增加5%，松厚度提高11%，同時維持其他的質量指標符合要求。刮刀磨損相似，且增強了運轉性能。

通常，增加生活用紙柔軟度的最常見化學方法是使用解鍵劑（圖5）。多年來常用的是脂肪族季銨化合物，雖然反應機理簡單，但是應用復雜。當添加到漿料中時，陽離子添加劑附著于帶有陰離子的紙頁上，另一端的疏水脂肪鏈干擾了纖維之間的氫鍵結合。

當然，干擾氫鍵結合過程也降低了紙頁強度。起皺后這種強度較弱的紙頁在手感測試中得分較高。紙頁強度也是大多數柔軟度測量儀器所需測試的重要指標。

盡管原理簡單易懂，但是經過磨漿和添加解鍵劑還要保持必要的紙頁強度，對紙機操作人員來說很難。過量解鍵劑也會影響揚克缸涂層的化學性能。由于解鍵劑的使用，揚克缸上要使用剝離劑，這會對皺紋結構產生負面影響，因此影響了低強度紙頁的手感。要在解鍵劑的用量、磨漿機能耗和起皺化學品的優化之間尋求平衡，并不是一個初學的紙機操作工可以勝任的。

傳統解鍵劑的另一個負面影響是對紙頁吸收性的影響。因為季銨類化合物有大的疏水基團，會導致紙頁具有疏水性。如果季銨類化合物加入過多，會降低紙頁的吸水性能，而吸水性又是起皺紙品的重要性能之一。

市場上廣泛存在對不影響紙頁強度的柔軟劑的需求。換言之，市場需要不具有解鍵功能的柔軟劑，可以將其添加到濕部，而且在改善手感的同時對揚克缸化學性能、濕部化學性能或終端產品吸收性的影響最小。

巴克曼公司自2014年之前就開始研究這類產品。通過投資新型手感測試儀、吸水性檢測儀器，并改善實驗室測試技術來檢測對紙頁性能的影響。過去25年來，專利中公開了一些影響手感的化學品。在這些已知化學品的基礎上，開發出了新的化合物。然而，選用哪種已知成分和新成分，以及如何確定配方使之對纖維產生實質性影響，且使其對紙頁強度、起皺化學品或紙頁吸收性產生的影響最小化，都是研究的關注點。

開發一種穩定、可流動的水基柔軟劑是一個非常繁瑣的過程。這種柔軟劑在滿足監管要求的同時，還需滿足以上提到的所有需求。

圖6所示為從某中端市場中零售商品牌衛生紙生產企業收集到的實驗數據，原料是混合辦公廢紙脫墨漿和闊葉木商品漿的混合漿。TSA是采用EmTec TSA收集的數據，采用TPII基本原圖算法得到的結果稱之為紙頁手感。

如圖所示，巴克曼柔軟劑在用量2kg/t紙時，呈現出最佳的性價比。該柔軟劑對濕部化學性能、紙頁強度和吸水性都沒有影響，但是在手感方面至少有5個點的提高。起皺化學性能沒有受到影響，每英寸的皺紋條數保持在穩定水平。工廠的手感柔軟度評估小組也給出了較好的測試結果。作為市場中的變革者，巴克曼柔軟劑無需客戶對噴涂、卷軸、加工或其他設備進行改造，只需要稀釋水和一個泵并選擇合適的位置添加即可。

圖5 纖維解鍵化學過程

圖6 巴克曼柔軟劑產品對紙頁柔軟度的影響

近十年來，生活用紙的設備和生產工藝已經取得了很大進步，而化學品的進步往往被忽略。無論產品設計還是市場服務，適當的化學性能都是必要的。巴克曼公司始終關注和致力于生活用紙市場和消費者需求的高標準，創新化學品和智能技術。酶、起皺化學品和柔軟劑技術的進步為實現柔軟生活用紙的終端目標提供了強大助力。