柔軟劑在生活用紙生產中的應用

王水家 孫曉丹 周影 威海翔宇環(huán)保科技股份有限公司

隨著生活水平的不斷提高，人們對各種生活用紙的需求及性能要求也不斷提高[1]。衛(wèi)生紙、面巾紙、手帕紙和餐巾紙等對柔軟性能要求較高，所以柔軟劑在造紙中的應用越來越受到重視[2]。

1 柔軟劑的分類

柔軟劑大致分為4類：非表面活性劑類、表面活性劑類、反應型及高分子聚合物乳液型[3]。

1.1 非表面活性劑類柔軟劑

1.1.1 以天然油脂、石蠟為原料

此類柔軟劑以天然油脂和石蠟為原料，在乳化劑的作用下配制成乳液，如聚乙烯蠟、氧化聚乙烯蠟、石蠟及硬脂酸酯、硬脂酸雙酰胺和羊毛脂等。以其作為柔軟劑的紙張?zhí)攸c是手感好、有滑爽及豐滿感，降低皮膚摩擦效果好。作用機理是柔軟劑滲透到纖維間起到隔離和潤滑作用，使分子易于運動，這類材料還常被用作生活用紙的脫缸劑。

1.1.2 以脂肪酸和胺類為原料

此類柔軟劑是脂肪酸和胺中和成的穩(wěn)定胺鹽，具有肥皂性質的金屬鹽有良好的乳化性，如三乙醇胺油酸皂。

1.1.3 以有機硅化合物為原料

在乳化劑作用下制成硅油乳液。有機硅化合物經歷硅油乳液階段、有機硅羥乳階段及硅油結構基礎導入氨基、羧基、聚醚基和環(huán)氧基等的改性有機硅階段。作用機理是有機硅樹脂的甲基定向排列和Si—O鍵的自由旋轉，降低界面張力，表現(xiàn)出優(yōu)異的柔軟作用。

1.2 表面活性劑類柔軟劑

1.2.1 陽離子型

陽離子型柔軟劑由于帶有正電荷，可以直接與負電荷的纖維結合，親水基吸附在纖維上。憎水基向外側排列，形成低表面能，纖維被長鏈脂肪烷基的膜包覆。因此用陽離子型柔軟劑處理的纖維柔軟效果特別好，同時紙張可獲得豐滿、滑爽的手感，但是不能和陰離子型表面活性劑復配使用。

陽離子型柔軟劑主要有叔銨鹽和季銨鹽兩大類。如：硬脂酸三乙醇胺酯季銨鹽、二(硬酯酰氧基)—丙基三甲基胺季銨鹽。

1.2.2 陰離子型

陰離子型柔軟劑與帶負電荷的纖維接觸時，互相之間發(fā)生排斥，不能吸附在纖維上，紙頁脫水成形后，纖維上僅僅附著一些與介質中濃度相同的化學助劑，活性基的憎水部分在纖維周圍，親水基向外側排列，從而形成一層油狀的膜，可賦予紙頁柔軟感，具有表面平滑的手感。陰離子型柔軟劑如蓖麻油硫酸化物、脂肪酸硫酸化物和磺化琥珀酸酯。

1.2.3 非離子型

非離子型柔軟劑在水溶液中不帶電荷，缺少作為柔軟劑的突出特點，但此類柔軟劑在使用時也能使纖維具有滑膩的柔軟感，特點是穩(wěn)定性好，如聚乙醇酯，特別適合與其他助劑配合使用，不過對纖維的吸附性相對較差，使用后耐久性低。非離子型柔軟劑如季戊四醇類和失水山梨醇類。

1.2.4 兩性型

兩性型柔軟劑的親水性是由陰離子活性基和陽離子活性基共同組成的，受水溶液pH值影響較大，在酸性條件下可用作陽離子型柔軟劑，在堿性條件下有陰離子型柔軟劑的特點。兩性型柔軟劑的陽離子基可與纖維作用，陰離子基則可通過紙漿中的聚電解質或鋁離子與纖維結合，同樣可使疏水基向外側排列，降低表面能。此類柔軟劑能賦予紙張光滑性和柔軟性，同時具有抑菌性和殺菌能力，可有效防止發(fā)霉，彌補了陽離子柔軟劑的缺點，常和陽離子柔軟劑復配使用。此類柔軟劑常見有氨基酸型、咪唑啉型和甜菜堿型。

1.3 反應型柔軟劑

反應型柔軟劑也稱為活性柔軟劑，指分子中含有能與纖維素纖維的羥基直接共價結合成酯鍵或醚鍵的柔軟劑。

此類柔軟劑使用過程中需要一定的高溫烘焙處理以促進柔軟劑與纖維之間的化學反應，性質活潑，盡量現(xiàn)用現(xiàn)配。

反應型柔軟劑主要包含以下幾類：酸酐類衍生物，即2個分子脂肪酸脫水生產的酸酐化合物，和纖維上羥基反應生成酯鍵結合；烯酮類衍生物，即1個分子的脂肪酸本身脫水生成的烯酮化合物，和纖維上羥基反應生成酯鍵結合；吡啶季銨鹽類衍生物，即分子中的活性基團能與纖維素分子上羥基形成化學鍵并固定在纖維分子上，具有持久的防水性和柔軟性。

1.4 高分子聚合物乳液型柔軟劑

此類柔軟劑是以聚乙烯、聚丙烯、有機硅樹脂和聚胺酯樹脂等高分子聚合物為原料制成的乳液，不僅具有較好的柔軟效果，而且還可作為起皺劑使用，特別有機硅樹脂用作紙張柔軟劑時除賦予紙張良好的柔軟感和平滑感外，還能使紙張有良好的柔彈感和厚實感。

2 柔軟劑的結構特點及作用機理

纖維素的結構是一種交錯的羥基氫鍵鍵合的螺旋纖維狀結構，纖維間的廣泛氫鍵締合及鍵間很強的分子間力賦予紙張強度和剛性。使用紙張柔軟劑的目的就是降低纖維之間的結合力，降低紙張剛性，減少紙張對皮膚的摩擦力；潤濕纖維，改善纖維的平滑性，增加紙張光滑性和細膩感。

2.1 柔軟劑的結構特點[4]

柔軟劑的化學結構主要由疏水性基團和親水性基團兩部分組成。疏水性基團主要是由直鏈脂肪烷烴結構產生的，碳原子數(shù)在C12～C22之間（一般C16～C18），例如，十六醇、十八醇、棕櫚酸和硬脂酸等。親水基團分為陽離子型、陰離子型和非離子型結構類型。起到柔軟作用的主要是長鏈烷基（即疏水基團），親水性基團與纖維素分子形成氫鍵，使柔軟劑分子吸附于纖維上。合適的柔軟劑要求憎水性高，而短鏈可溶性基團的主要作用是使柔軟劑在水介質中易于溶解，與柔軟性無直接關系，但它有決定烷基在纖維周圍取向的作用。

柔軟劑很少是由單一化學結構的一種表面活性劑組成。一般除表面活性劑外，還含有礦物油、植物油或高碳醇等油性物質，即物質的協(xié)同增效作用，以達到良好的柔軟效果。

2.2 柔軟劑的作用機理[3]

界面吸附：加入柔軟劑后，柔軟劑會在纖維表面發(fā)生定向吸附，疏水基向外整齊排列，C—C單鍵的自由旋轉使得整齊的疏水烷基鏈之間能夠相互滑動，降低界面張力，同時減少了纖維的摩擦系數(shù)，使纖維之間或纖維與人體間摩擦阻力減小，從而獲得蓬松、柔軟的手感。

化學結合：當柔軟劑分子中含有能和纖維分子中羥基反應的基團時，如羥甲基、環(huán)氧基、氨基和甲氧基等。柔軟劑和纖維分子間發(fā)生共價鍵合，提高表面柔軟性的同時也較大提高了耐洗性。

物理堆積：有些柔軟劑分子對纖維缺乏吸附和化學結合的性能，但能在纖維表面靠物理作用堆積成一層透氣的連續(xù)性樹脂薄膜，降低界面張力的作用雖然較小，但有減少纖維摩擦系數(shù)的作用，如一些非表面活性物質和聚乙烯乳液、硬脂酸和石蠟的乳液體等。

3 紙張柔軟劑的添加方式

漿內添加：將柔軟劑添加到漿料系統(tǒng)中，加入位置的范圍是從碎漿機到沖漿泵。調節(jié)箱或調漿箱是常用的加入位置。

濕紙頁噴涂：通過濕紙頁噴涂，主要是對纖維進行表面改性。

柔軟劑采用不同加入點及添加方式的優(yōu)缺點比較如表1所示[5]。

表1 柔軟劑不同加入點及添加方式的優(yōu)缺點

4 紙張柔軟劑的性能評價

紙張柔軟劑的性能體現(xiàn)在紙頁的柔軟度上，而紙頁的柔軟度評價方法主要有專家組測試法和儀器測試法[6]。

紙頁柔軟度有整體柔軟度和表面柔軟度的區(qū)別。整體性質的測試包括紙頁的可壓縮性、抗張強度、伸長率、彎曲挺度和聲波模數(shù)。表面性質的測試包括紙頁的手感、外觀特性及摩擦性。

目前國內普遍使用柔軟度測試儀測定，即對紙頁的彎曲撓度和表面摩擦進行綜合測定。國外主要采用主觀評價和客觀評價相結合，主要步驟：首先專家對紙頁進行主觀手感認定，然后使用相關測試儀器對紙頁物理性質進行定量分析（如表面摩擦性、抗撓剛度、松厚度和抗張強度等），最后用數(shù)學方法對主客觀評價結果進行相關性分析，得出結論。

5 紙張柔軟劑的發(fā)展方向

隨著人們生活水平的提高，對各種生活用紙需求也不斷提高，同時對紙張的柔軟性提出了更高的要求。目前紙張柔軟劑多為單組分配方，只能在某些方面效果優(yōu)異，如果能夠根據(jù)協(xié)同增效原理，將兩種或多種柔軟劑復配，或者不同功能性化學品與柔軟劑進行復配，以獲得比單組分更優(yōu)異性能的柔軟劑，將是柔軟劑的發(fā)展方向之一。