膨松劑對絨毛漿性能的影響及其作用機理

徐永建 王 倩 王 皎 朱振峰

(1.陜西科技大學輕工與能源學院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021;2.陜西科技大學材料科學與工程博士后流動站，陜西西安，710021)

絨毛漿作為生產(chǎn)衛(wèi)生巾、嬰兒紙尿褲和成人失禁用品等吸收性衛(wèi)生用品的必需原料，是一種良好的液體吸收木漿，它包裹高分子吸水樹脂 (SAP)就形成了吸收性衛(wèi)生用品的吸收墊層，具有超強的吸液性能，并且在吸收液體后結(jié)構(gòu)保持不變。國際上主要的絨毛漿生產(chǎn)巨頭，美國惠好紙業(yè)、喬治太平洋公司與國際紙業(yè)公司三足鼎力，三者絨毛漿產(chǎn)能之和占到全球總產(chǎn)能的一半以上［1-2］。目前絨毛漿的生產(chǎn)工藝一直被國外壟斷，我國90%以上的絨毛漿依賴于進口。國產(chǎn)絨毛漿主要用于中低檔消費，其主要原因是我國木材原料匱乏，國產(chǎn)絨毛漿干蓬松度、吸收性能差，粉塵大，墊層穩(wěn)定性較差。近年來，一次性衛(wèi)生用品企業(yè)對絨毛漿的需求量在逐年大幅增加［3］，而國產(chǎn)絨毛漿企業(yè)數(shù)量較少，產(chǎn)量較低，加之國產(chǎn)質(zhì)量與進口質(zhì)量差距較大，很難滿足市場需求。據(jù)海外媒體報道［4］，2000—2011年，全球絨毛漿需求由350萬t增長到500萬t，2012年全球絨毛漿的需求量同比增長3.6%。隨著進口絨毛漿與國產(chǎn)漂白硫酸鹽針葉木漿價格的進一步拉大，絨毛漿的利潤空間也在逐步增大，這些因素都迫切要求加大有關(guān)絨毛漿方面的研究。

吸收性是絨毛漿的一項重要質(zhì)量指標，主要取決于纖維之間的毛細管效應，毛細管效應越強，吸收性能越好［5-6］。由于絨毛漿的特殊要求，需要添加助劑賦予其所需的特性，在絨毛漿所需助劑中，解鍵劑［7］和膨松劑發(fā)揮著重要作用，它們對降低漿板的耐破度、提高絨毛漿蓬松度有重要影響。解鍵劑主要是由陽離子表面活性劑和非離子表面活性劑組分，通過屏蔽纖維素羥基以降低絨毛漿板耐破度，但解鍵劑加入后，羥基減少會導致絨毛漿吸收性和成墊強度下降。而膨松劑是一種納米級或微米級填料，不改變羥基的數(shù)量，其在絨毛漿表面只是發(fā)生物理變化，避免造成纖維自身強度的損害，保證了絨毛漿填充后有良好的吸水性及墊層穩(wěn)定性。本實驗采用膨松劑對絨毛漿進行絨毛化處理，研究了添加膨松劑后絨毛漿板的耐破指數(shù)、緊度、干蓬松度以及吸液性能，為膨松劑的絨毛化處理機理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和突破方向。同時使用掃描電子顯微鏡 (SEM)觀測膨松劑在絨毛漿纖維表面的附著狀態(tài)，初步闡明膨松劑的作用機理，為優(yōu)化絨毛化工藝提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 原料

進口漂白硫酸鹽針葉木漿板 (智利銀星牌，水分6.6%，纖維質(zhì)均長度2.45 mm);膨松劑:固體白色粉末，納米或微米級填料，粒子呈紡錘狀，將膨松劑粉末加水配制成懸濁液，用超聲波分散器分散膨松劑懸濁液5 min，備用。

1.2 儀器

ZQYC型油壓機，西北輕工業(yè)學院機械廠;DCPNPY5600電腦測控耐破度儀，四川長江造紙儀器有限責任公司;ZQJ1-B-II紙樣抄取器，西北輕工業(yè)學院機械廠;83型自控溫度電動上光機，上海賢華公司;BT-9300H激光粒度分布儀，丹東百特儀器公司;S-4800掃描電子顯微鏡，日本日立公司;ZQS4纖維標準解離器，西北輕工業(yè)學院機械廠;FQA纖維質(zhì)量分析儀，加拿大OpTest公司;BILON-1200Y超聲波細胞粉碎機，西安比朗生物科技有限公司。

1.3 實驗方法

使用FQA纖維質(zhì)量分析儀分析進口漂白硫酸鹽針葉木漿的纖維形態(tài)。漿板經(jīng)浸泡后，取漿濃為1%的漿樣，在常溫下疏解3.5 min后，添加已經(jīng)超聲波疏解的膨松劑懸濁液，充分混合均勻后抄片。成紙后先經(jīng)油壓機壓榨，使干度達42%以上，再經(jīng)上光干燥 (15 min)，將漿板干度控制在90%～94%之間，定量控制在650～700 g/m2。根據(jù)絨毛漿國家標準GB/T 21331—2008檢測漿板的定量、水分、耐破度、緊度等;根據(jù)自主研發(fā)設(shè)備檢測絨毛漿的干蓬松度和吸液性能;另外使用SEM觀測時，需要將經(jīng)膨松劑處理前后的絨毛漿樣烘為絕干，并噴金處理，在二次電像掃描模式下觀測膨松劑在絨毛漿纖維表面的附著狀態(tài)，初步闡明膨松劑的作用機理，觀測時放大倍數(shù)為4000～22000倍，電壓為3.0 kV，電流為10 mA。

1.4 絨毛漿干蓬松度和吸液性能的檢測

本課題組依托近5年的絨毛漿研發(fā)經(jīng)驗，根據(jù)GB/T 21331—2008標準中對絨毛漿的具體要求，自主研發(fā)了用于檢測絨毛漿干蓬松度、吸液量和吸液時間的設(shè)備，如圖1所示。此設(shè)備確保了吸水臺吸水量的相對穩(wěn)定性，解決了現(xiàn)有實驗室設(shè)備吸水臺溢流水量不穩(wěn)的問題，提高了檢測結(jié)果的精度。

圖1 自制絨毛漿干蓬松度、吸液時間和吸液量檢測設(shè)備

檢測過程為:取3 g分散后的絨毛漿，均勻分布在盛樣管中，然后向注水槽中注水，使水位高度略超過出水臺高度。向水中加入顏料 (方便觀測)，靜置數(shù)分鐘溢流后，待二者水位齊平，開始檢測絨毛漿性能。將盛好樣的盛樣管放置在水平臺上，取500 g砝碼懸于盛樣管上部管口處，砝碼應正對著試樣。輕輕釋放砝碼的同時記錄砝碼底面的位置。第一次穩(wěn)定時，約30 s后記錄砝碼所在的刻線位置，即為絨毛漿的蓬松高度。將檢測完干蓬松度的絨毛漿盛樣管輕輕拿起 (砝碼仍放置在盛樣管內(nèi)，管內(nèi)是壓制好的絨毛漿試樣)，手持裝有試樣的盛樣管懸于吸水臺上方。此時盛樣管底正對吸水臺的吸液面，盛樣管的管底與吸液面的距離很小。輕輕釋放盛樣管的同時開始用秒表計時，密切關(guān)注絨毛漿試樣頂部，一旦有水浸到絨毛漿試樣的上表面，立刻停止計時。絨毛漿吸液所用的時間用t表示。待絨毛漿試樣上表面被浸濕后，繼續(xù)停留30 s，試樣充分吸水后，迅速將盛樣管水平放置在與盛樣管相同口徑的燒杯上，待試樣自然濾水30 s后，取出濕的絨毛漿試樣。至少做3次平行實驗，分別計算出干蓬松度、吸水時間及吸水量的平均值。干蓬松度A(cm3/g)的計算見公式 (1);吸水量C(g/g)見公式 (2)。

式中，S為試樣底面積，cm2(底面直徑50 mm的S為19.64 cm2);h為壓縮后試樣高度，mm;x為試樣的質(zhì)量，g(此處為3.0 g);y為吸水后試樣的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨松劑對絨毛漿板性能的影響

添加不同用量的膨松劑對絨毛漿板耐破性能和緊度的影響分別見圖2和圖3。

圖2 膨松劑用量對絨毛漿板耐破性能的影響

國標要求絨毛漿板耐破度小于450 kPa。耐破度過小，在干解離時會產(chǎn)生漿團，對絨毛漿的蓬松度及吸液性能產(chǎn)生不利影響;耐破度太大，干解離時易產(chǎn)生大量粉塵，且損失纖維長度，易造成芯墊層完整性、蓬松度及吸水性能等降低。從圖2可以看出，隨著膨松劑用量的增大，絨毛漿板耐破度降低。當膨松劑用量從0增至2.58%時，耐破指數(shù)從0.85 kPa·m2/g降至0.59 kPa·m2/g，降低30.6%。絨毛漿板的耐破性能間接反應了纖維間的結(jié)合狀況，比緊度更能反應?漿板分散的難易程度。加入膨松劑后可有效降低漿板的耐破度和耐破指數(shù)，這可能是由于膨松劑粒子易于分布在纖維粗糙處或者微細纖維處，對纖維束有一定的包裹作用，使纖維收縮性下降，增大了纖維之間的距離，阻礙了纖維間的結(jié)合，降低了纖維間的結(jié)合強度以及絨毛漿干解離時的能耗，改善了干解離的效果。圖3表明，膨松劑對絨毛漿板緊度的影響不大。一般要求絨毛漿板的緊度以0.5 g/cm3為宜。緊度過小，漿板易被大塊大塊分離，導致分散不均勻;緊度過大，分散困難，分散時動力消耗大，且纖維易損傷，影響絨毛漿性能［8］。

2.2 膨松劑對絨毛漿性能的影響

圖4為膨松劑用管對絨毛漿干蓬松度的影響。由圖4可知，當膨松劑用量從0～1.19%變化時，絨毛漿干蓬松度從24.8 cm3/g增至26.6 cm3/g，提高了7.3%。但當膨松劑用量大于2%時，絨毛漿的干蓬松度逐漸降至未使用膨松劑的水平。上述結(jié)果直觀地反映出添加適量膨松劑后，纖維間的結(jié)合力變?nèi)?，結(jié)構(gòu)變得疏松，有利于將絨毛漿打散成高蓬松的纖維團。

圖4 膨松劑用量對絨毛漿干蓬松度的影響

圖5為膨松劑用量對絨毛漿吸液性能的影響。由圖5可知，添加膨松劑有利于減少絨毛漿的吸液時間，提高絨毛漿的吸液速度，而對絨毛漿的吸液量影響較小。當添加量為2.58%時，吸液時間從3.8 s降至2.1 s，減少了44.7%。

圖5 膨松劑用量對絨毛漿吸液性能的影響

添加膨松劑降低了絨毛漿板的耐破性能和吸液時間。當膨松劑用量為2.58%時，耐破指數(shù)和吸液時間分別降低了30.6%和44.7%，考慮到吸液時間應盡量縮短，取膨松劑用量2.58%為處理絨毛漿的最佳工藝。

2.3 自制絨毛漿與商品絨毛漿性能的比較

自制絨毛漿與商品絨毛漿性能的比較如表1所示。由表1可知，當膨松劑用量為2.58%時，自制絨毛漿各項指標接近或者達到國家標準優(yōu)等品的水平。使用膨松劑自制絨毛漿的性能優(yōu)于女神牌進口商品漿，但吸液時間和吸液量與金島牌高檔絨毛漿還存在一定差距。

2.4 膨松劑處理絨毛漿板的作用機理

未經(jīng)膨松劑處理的纖維易發(fā)生分絲帚化、表面起毛，暴露出更多氫鍵，增加了漿板的結(jié)合強度，不利于漿板起絨離解。本實驗通過分析膨松劑的形態(tài)、膨松劑與纖維結(jié)合作用以及纖維形態(tài)3部分，揭示膨松劑處理絨毛漿板的作用機理。

表1 自制絨毛漿與商品絨毛漿性能的比較

2.4.1 膨松劑的形態(tài)分析

使用激光粒度儀測定膨松劑的粒徑，數(shù)均粒徑和質(zhì)均粒徑結(jié)果分別見圖6和圖7。圖6和圖7表明，膨松劑數(shù)均粒徑為0.52 nm，質(zhì)均粒徑為3.75 nm;使用FQA檢測纖維原料數(shù)均長度為0.92 mm，質(zhì)均長度為2.45 mm。將兩者對比發(fā)現(xiàn)，膨松劑粒徑遠小于纖維長度。在不同放大倍數(shù)下，使用SEM觀測膨松劑在絨毛漿纖維表面的附著狀態(tài)，見圖8和圖9。由圖8和圖9可知，膨松劑粒子為針狀，在纖維濾水成形時，膨松劑粒子并未分散成單個粒子，而是優(yōu)先絮聚形成微米級顆粒，附著在纖維表面。此現(xiàn)象表明，膨松劑粒子間的吸附力遠大于纖維對膨松劑粒子的吸附力。

2.4.2 膨松劑處理纖維的SEM分析

添加膨松劑前后絨毛漿纖維的SEM圖如圖10和圖11所示。由圖11顯示，膨松劑易于分布在纖維表面 (A區(qū))和纖維粗糙處 (B區(qū))。A區(qū)的放大圖和膨松劑附著在纖維表面的SEM圖分別見圖12和圖13。由圖12和圖13可知，膨松劑粒子絮聚在纖維上，對纖維起到一定的包裹作用?？瞻讟永w維間結(jié)合的SEM圖如圖14所示，纖維A的邊緣粗糙處 (C區(qū))分出纖維B纏繞在纖維D上。纖維D表面粗糙，使纖維C受到的摩擦力增大，纖維結(jié)合更緊密，纖維間的結(jié)合強度因此而增大。此外，纖維間的結(jié)合作用易發(fā)生在纖維凹陷和褶皺處。添加膨松劑后，一方面膨松劑粒子附著在纖維粗糙處，一定程度降低了纖維之間的纏繞緊度;另一方面膨松劑附著在纖維表面，增大了纖維之間的距離，阻礙了纖維間氫鍵的形成，起到了調(diào)節(jié)絨毛漿板耐破度的作用。

2.4.3 纖維形態(tài)的分析

使用FQA分析添加膨松劑前后纖維的形態(tài)［9］，其結(jié)果見表2。由表2可知，添加膨松劑后，纖維粗度略有增加，扭結(jié)指數(shù)降低近50%，其余指標無明顯變化。纖維粗度提高，有利于提高漿板的松厚度。纖維粗度的提高可能是由于膨松劑附著在纖維上，質(zhì)量變大;扭結(jié)指數(shù)降低則表明漿板纖維收縮性下降，原因如圖15所示。干解離時纖維受到磨片的摩擦，需要瞬間完成纖維與纖維之間的解離，如果纖維伸縮性強，摩擦能則被抵消［10-11］，分離效果將大幅降低。然而纖維結(jié)變少，分散及干解離效果則變好，有利于縮短纖維吸液時間。

表2 FQA分析添加膨松劑前后絨毛漿的纖維形態(tài)

圖15 纖維干解離時磨片對纖維作用的示意圖

3 結(jié)論

3.1 添加膨松劑后，絨毛漿的耐破性能和吸液時間降低，而對絨毛漿的緊度和吸液量的影響較小。當膨松劑用量為2.58%時，耐破指數(shù)和吸液時間分別降低了30.6%和44.7%。此時，絨毛漿耐破指數(shù)為0.59 kPa·m2/g，緊度為 0.51 g/cm3，干蓬松度為24.7 cm3/g，接近高檔進口商品絨毛漿的性能;吸液時間為2.1 s，吸液量為8.0 g/g與國家優(yōu)等品標準接近。當膨松劑用量為1.19%時，絨毛漿的干蓬松度效果最佳，達26.6 cm3/g;但當膨松劑用量超過2%時，漿板干蓬松度性能降至未使用膨松劑的水平。

3.2 膨松劑粒子未分散成單個粒子，而是優(yōu)先絮聚形成微米級顆粒，附著在纖維表面，此現(xiàn)象說明膨松劑粒子間的吸附力遠大于纖維對膨松劑粒子的吸附力。

3.3 膨松劑的絨毛化作用一方面可能是由于纖維粗度增加，提高了漿板的松厚度，同時纖維收縮性下降，改善了干解離效果;另一方面可能是由于膨松劑粒子附著在纖維粗糙處并對纖維束有一定包裹的作用，阻礙了纖維間的結(jié)合，降低了絨毛漿板的耐破度。

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