影響生活用紙吸收性能的因素

張志鵬 董奎斌 李晨曦 安興業(yè)，* 曹海兵 魯 賓 劉洪斌，*

（1.天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457；2.浙江景興紙業(yè)股份有限公司，浙江平湖，314214）

生活中常用的生活用紙有很多種，可分為衛(wèi)生紙、紙巾紙（面巾紙、手帕紙、餐巾紙）和擦拭紙（廚房紙巾、擦手紙）3 大類[1]。生活用紙?jiān)谑褂脮r(shí)可能要面臨液體環(huán)境，所以吸收性能是其重要的性能指標(biāo)之一。為了滿足日益增長的市場消費(fèi)量需求和人們對生活用紙的使用體驗(yàn)，提高生活用紙的吸收性能變得尤為重要。

1 吸收性能的定義和原理

生活用紙的吸收性能是指生活用紙吸收液體的能力，包括生活用紙對液體的吸收速率和對液體的吸收量。根據(jù)生活用紙接觸的液體環(huán)境，生活用紙的吸收性能分為吸水性能和吸油性能[2]。

生活用紙的吸水性能主要由構(gòu)成生活用紙纖維的吸水性能（纖維空腔的保水性能和游離羥基含量）和纖維交織產(chǎn)生的孔隙結(jié)構(gòu)（其本質(zhì)是毛細(xì)管效應(yīng)）決定[3-4]。水分一方面儲存在纖維空腔并與纖維表面的游離羥基相結(jié)合，另一方面被紙張中的孔隙結(jié)構(gòu)吸收。生活用紙的吸油性能主要取決于紙張本身的孔隙結(jié)構(gòu)[5]，纖維彼此交織在一起形成孔隙結(jié)構(gòu)，使紙張具有較大的比表面積，在接觸油性物質(zhì)后，可以迅速將其吸收。

為了提高生活用紙的吸水性能，研究者們針對生活用紙吸水性能的原理，對影響吸水性能的不同因素進(jìn)行了研究。本文主要針對影響生活用紙吸水性能的因素進(jìn)行概述。

2 影響生活用紙吸收性能的因素

2.1 纖維

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(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)，對紙張吸水性能影響不大。而纖維無定形區(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(zhì)會對纖維的吸水潤脹有抵抗作用。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。通過對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(jié)構(gòu)所決定。

2.2 打漿

打漿通過機(jī)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(jié)構(gòu)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(xì)胞通過縱向分裂作用發(fā)生分絲帚化和細(xì)纖維化現(xiàn)象，這會對纖維細(xì)胞產(chǎn)生橫向切斷作用，產(chǎn)生更多新的纖維壁腔端口，對胞腔通過毛細(xì)管效應(yīng)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?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(jìn)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(xì)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(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]通過對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(jìn)行吸水率測定，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?？肆心贩ū举|(zhì)上是根據(jù)所測原紙的毛細(xì)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(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]通過對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(shí)會造成原紙吸水性能的下降。

2.3 起皺

在生活用紙的生產(chǎn)過程中，起皺是一個(gè)非常重要的過程。起皺技術(shù)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?jiān)埖奈招阅?。生活用紙?jiān)埰鸢櫤?，其縱向伸長可提高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%。

2.4 干燥

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)克烘缸干燥操作過程中會對生活用紙?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?，但由于干燥過程中會對原紙產(chǎn)生較大的壓力，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中生活用紙?jiān)埖奈招阅芟陆礫17]。

TAD 干燥技術(shù)可使熱風(fēng)直接穿過紙張，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生活用紙進(jìn)行干燥，還解決了因?yàn)閾P(yáng)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(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)干燥會被結(jié)合起來使用，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，生活用紙?jiān)O(shè)備生產(chǎn)廠家對紙機(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]建立一種針對此類紙機(jī)的在線質(zhì)量評價(jià)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)這種帶式成形紙機(jī)所生產(chǎn)出來的生活用紙的吸收性能與經(jīng)過揚(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(jī)運(yùn)行時(shí)因干燥操作對紙張產(chǎn)生壓力導(dǎo)致的紙張緊度的降低問題，會進(jìn)一步改善生活用紙?jiān)埼浴?/p>

2.5 壓花

2.5.1 壓花原理

壓花是將壓花輥上圖案在一定壓力下壓刻在生活用紙?jiān)埳系倪^程，如圖2所示。除此之外，將多張生活用紙?jiān)埻ㄟ^壓?。ㄊ┘泳植繅毫Γ┑姆绞浇Y(jié)合在一起，有助于增加生活用紙的松厚度、吸收性能和柔軟度。隨著壓花技術(shù)的發(fā)展，控制溫度和濕度來改善壓花的技術(shù)也在逐漸發(fā)展。大多數(shù)生活用紙面層（具有一層或多層）的壓花，被稱為裝飾性壓花，而底層的壓花被稱為微壓花[20]，這些壓花可以使生活用紙具有單層紙所無法實(shí)現(xiàn)的性能。壓花工藝改善了紙的吸收性能，對某些特性如抗張強(qiáng)度及局部的松厚度有負(fù)面影響。

圖2 壓花過程Fig.2 Embossing process

壓花對于生活用紙吸收性能的提升是建立在生活用紙?jiān)垑夯◤?fù)合后，紙張之間形成的孔隙體積的提高，這會明顯改善原紙復(fù)合后的吸收性能。壓花在一定程度上對單層生活用紙?jiān)埖奈招阅墚a(chǎn)生了不利影響，這是由于壓花時(shí)壓花輥的壓力降低了原紙松厚度。

2.5.2 壓花對吸收性能的影響

Vieira 等人[21]通過對同一紙機(jī)上產(chǎn)出的生活用紙?jiān)埖亩?、厚度、纖維數(shù)量和孔隙率等參數(shù)進(jìn)行對比，并對紙機(jī)產(chǎn)出的生活用紙?jiān)埖奈招阅苓M(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)壓花操作使生活用紙的孔隙體積提升了150%，而這些孔隙體積的增加使生活用紙的吸收性能增加了60%。

孫海瑜[22]發(fā)明了一種高性能S 型生活用紙壓花模板（如圖3(a)所示），由壓花表面層及壓花底層構(gòu)成，壓花表面層及壓花底層上壓設(shè)有凸出的壓花花紋凸起點(diǎn)3，壓花表面層1 與壓花底層2 通過膠水4粘合，通過壓花表面層向下凸出的壓花花紋凸起點(diǎn)及壓花底層向上凸出的壓花花紋凸起點(diǎn)使壓花表面層與壓花底層之間形成間隙。通過對生產(chǎn)出的生活用紙?jiān)埡蛪夯ê蟮纳钣眉埑善芳埖奈招阅苓M(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)生活用紙?jiān)埼繛?.14 g/g；生活用紙成品紙的吸水量為7.52 g/g，壓花后吸收性能增長了81.6%。

張濤[23]設(shè)計(jì)了一種壓花紙（如圖3(b)所示），由面層10 和底層13 復(fù)合，壓花點(diǎn)11 和壓花點(diǎn)15 通過施膠的方式貼合并形成水流通道，提高了紙張的吸水速率，空隙12 作為儲水空間，提高了紙張的吸水量。

陳八奇[24]設(shè)計(jì)了一種壓花系統(tǒng)（如圖3(c)所示），面層10 和底層20 作為基層，壓花點(diǎn)15 和壓花點(diǎn)25提供了支撐作用，使面層10 和底層20 之間形成了充足的儲水空間，壓花點(diǎn)16 則提供了水流通道及儲水單元，增加了吸水速率和吸水量。

圖3 壓花設(shè)計(jì)圖Fig.3 Embossing design diagram

綜上所述，壓花為紙張之間提供了儲水空間，通過壓花增加了紙張之間的距離，同時(shí)每個(gè)壓花點(diǎn)也起到了支撐作用，使儲水空間不容易塌陷，這些儲水空間大大增加了紙張的吸水性能，因此壓花成為了提高生活用紙吸水性能的一個(gè)重要操作。

2.6 結(jié)構(gòu)（層數(shù)）

在實(shí)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(shí)提高其吸收性能，會使用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)過壓花等操作，而通過增加原紙數(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)，紙張層間會形成層狀流動通道，這種結(jié)構(gòu)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?jiān)镜奈扛?，使得多層紙的吸收能力大大提升?/p>

Loebker 等人[26]對生活用紙的層數(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?jiān)埻ㄟ^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。

3 結(jié) 語

生活用紙的吸收性能是評價(jià)生活用紙質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。本文分別從纖維、打漿、起皺、干燥、壓花和結(jié)構(gòu)6 個(gè)因素闡述了對生活用紙吸收性能的影響。

3.1 纖維對生活用紙吸水性能的影響體現(xiàn)在纖維所含有的游離羥基含量和纖維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)。

3.2 打漿可以使纖維本身具有更強(qiáng)的吸水能力，但是由于纖維的分絲帚化和細(xì)纖維化，導(dǎo)致纖維成紙后，紙張結(jié)構(gòu)更加緊密，紙張的孔隙率下降，吸水性能也隨之下降。

3.3 起皺增加了生活用紙的松厚度，增加了生活用紙的吸收性能，但會降低生活用紙的強(qiáng)度。

3.4 生活用紙的干燥過程會使生活用紙的緊度增加，無壓力下的干燥過程可以保留生活用紙的松厚度，增加其吸收性能。

3.5 壓花是目前生活用紙應(yīng)用較為普遍的操作，使多層數(shù)的生活用紙之間產(chǎn)生了更多的空隙，這些空隙極大增加了生活用紙的吸收性能。

3.6 生活用紙?jiān)埻ㄟ^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。

3.7 目前對壓花工藝的改進(jìn)和研發(fā)仍有待進(jìn)一步開發(fā)。生活用紙行業(yè)和學(xué)術(shù)界仍在對提高生活用紙的吸收性能進(jìn)行研究，以進(jìn)一步開發(fā)具有更高吸收性能和更好使用體驗(yàn)的生活用紙產(chǎn)品。