化學(xué)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(jìn)程的加速，人們對(duì)生活用紙產(chǎn)品的需求更加多樣化、復(fù)雜化。生活用紙化學(xué)品巨頭巴克曼公司紙漿和造紙技術(shù)總監(jiān)Daniel Glover接受了Tissue World雜志的專訪，闡述了其對(duì)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(shù)總監(jiān)Daniel Glover

柔軟生活用紙的具體配方通常是一項(xiàng)被妥善保護(hù)的商業(yè)秘密。雖然各個(gè)企業(yè)柔軟生活用紙的生產(chǎn)配方或標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序可能不同，但行業(yè)內(nèi)表示柔軟度的物理指標(biāo)并不是秘密。松厚度、松厚度/定量比例、皺紋結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和手感等物理指標(biāo)均對(duì)柔軟度的評(píng)測(cè)有影響。如果不能應(yīng)用適當(dāng)?shù)脑旒埢瘜W(xué)品進(jìn)行控制，每項(xiàng)物理指標(biāo)都會(huì)受到影響。

松厚度用于衡量生活用紙的厚度，但與紙頁(yè)所含的纖維量息息相關(guān)。因此大多數(shù)生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)紙頁(yè)最大的蓬松度。當(dāng)然，通常這也決定了松厚度和定量作為參考的兩項(xiàng)指標(biāo)，不同長(zhǎng)度、扭結(jié)、卷曲和厚度的纖維直接影響著紙頁(yè)的松厚度，同時(shí)特定的生產(chǎn)流程和化學(xué)成分也影響著紙頁(yè)的最終松厚度。

因此，必須對(duì)紙漿進(jìn)行磨漿，改變纖維形態(tài)增加氫鍵結(jié)合，達(dá)到最終紙頁(yè)的強(qiáng)度。然而，磨漿不僅把纖維切斷，更重要的是纖維被壓扁，同時(shí)伴隨松厚度的降低。在理想情況下，生產(chǎn)柔軟的廁用衛(wèi)生紙不需要進(jìn)行磨漿。

過去十年中，磨漿機(jī)和磨片的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，在對(duì)纖維進(jìn)行最小程度的切斷和壓扁的同時(shí)，采用柔和的生產(chǎn)方式使纖維形態(tài)發(fā)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(chǎn)商在降低磨漿和節(jié)省磨漿機(jī)能耗方面做的任何事情都應(yīng)該可以提高紙頁(yè)松厚度。然而，實(shí)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(xiàng)新近開發(fā)的技術(shù)——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(jīng)過過去幾年的仔細(xì)研究，巴克曼公司已經(jīng)鑒別出達(dá)到這一目的最有效的特定酶。

圖1 松厚度與磨漿能耗的關(guān)系

為了達(dá)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(shí)間。每個(gè)給定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的相對(duì)反應(yīng)數(shù)量決定了酶的活性水平。這些pH值、溫度和時(shí)間的活性曲線是正態(tài)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(shí)間就變得很重要。例如，在磨漿前和纖維的接觸時(shí)間越長(zhǎng)，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(jìn)這些反應(yīng)或者破壞組成纖維素纖維外壁的化學(xué)鍵，且在這一過程中不會(huì)被消耗掉。一個(gè)酶可以催化成百上千個(gè)反應(yīng)，所有這些反應(yīng)或纖維素表面的變化為磨漿流程做準(zhǔn)備。預(yù)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(dá)到相同水平的纖維形態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)相同的最終紙頁(yè)強(qiáng)度。因此可以說，使用酶預(yù)處理能減少磨漿，從而改善紙頁(yè)松厚度。

圖1是從某個(gè)高檔生活用紙生產(chǎn)商處收集到的數(shù)據(jù)。使用漿料為長(zhǎng)短纖混合漿，按照每噸漿酶產(chǎn)品用量250g來(lái)計(jì)算，磨漿機(jī)能耗大約可以降低50%，使得產(chǎn)品松厚度在相同的基礎(chǔ)上至少提高10%。

過去幾年中，人們耗費(fèi)了大量的時(shí)間和精力為生活用紙生產(chǎn)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(guó)專利（專利號(hào)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(chǎn)過程中的使用量。這些專利產(chǎn)品包括巴克曼的Maximyze 2596和Maximyze 2597等。這兩種產(chǎn)品使用了不同的增強(qiáng)材料，但是都比之前的產(chǎn)品更加有效。

松厚度也可以反映紙頁(yè)的起皺程度。良好的皺紋結(jié)構(gòu)，即每英寸具有足夠的皺紋條數(shù)，對(duì)柔軟生活用紙的生產(chǎn)至關(guān)重要。雖然對(duì)于結(jié)構(gòu)化衛(wèi)生紙機(jī)（即在揚(yáng)克缸前通過氈、帶、毯或其他裝置形成一種三維結(jié)構(gòu)）來(lái)說皺紋結(jié)構(gòu)沒那么重要，但皺紋結(jié)構(gòu)對(duì)于紙頁(yè)的柔軟度和手感而言仍然非常重要。

從傳統(tǒng)意義上來(lái)講，低定量干法起皺衛(wèi)生紙機(jī)在紙頁(yè)進(jìn)入揚(yáng)克缸之前未形成三維結(jié)構(gòu)，因此起皺更加重要。另外，起皺刮刀是將機(jī)械能傳輸?shù)郊堩?yè)中的最后機(jī)會(huì)。

起皺化學(xué)品對(duì)賦予紙頁(yè)適當(dāng)?shù)陌櫦y結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。起皺粘缸劑和紙頁(yè)的緊密接觸是此流程的開始。起皺化學(xué)品必須在濕紙頁(yè)上到烘缸的那一刻與其接觸，并保證化學(xué)品一定程度地滲透到紙頁(yè)中，這一過程在揚(yáng)克缸上進(jìn)行，然后將紙頁(yè)傳遞至起皺刮刀，從而得到最終的皺紋結(jié)構(gòu)。

這是對(duì)生活用紙生產(chǎn)流程中實(shí)際發(fā)生的事情進(jìn)行的簡(jiǎn)單解釋。本質(zhì)是，若沒有優(yōu)質(zhì)的起皺化學(xué)品，不可能形成適合的皺紋結(jié)構(gòu)。但是，如果條件合適，皺紋結(jié)構(gòu)會(huì)增加紙頁(yè)松厚度和每英寸的皺紋條數(shù)，確保產(chǎn)品具備更好的手感（圖2和圖3）。

多年來(lái)，揚(yáng)克缸涂層用化學(xué)品的開發(fā)多以該領(lǐng)域中研究人員和技術(shù)專家的研究及經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行。因?yàn)檫@些粘合劑都是聚合物，有時(shí)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(shù)和開發(fā)自己的專用測(cè)試方法，來(lái)識(shí)別影響柔軟性能的產(chǎn)品特征，以改善化學(xué)品的開發(fā)流程。測(cè)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(yīng)力/應(yīng)變模量。

巴克曼采用專利的應(yīng)用測(cè)試方法試圖模擬在起皺之前、起皺過程中和起皺之后揚(yáng)克缸表面發(fā)生的變化。物理特性測(cè)試和這些專利測(cè)試方法結(jié)合會(huì)產(chǎn)生更高效的產(chǎn)品開發(fā)流程，并可預(yù)測(cè)揚(yáng)克缸的表面性能。

在這一領(lǐng)域新技術(shù)應(yīng)用的最新進(jìn)展是Bubond?2646。該款產(chǎn)品在物理特性方面是獨(dú)一無(wú)二的，超越了在低定量干法起皺衛(wèi)生紙機(jī)上正常預(yù)期的功能。

圖4 Bubond? 系列產(chǎn)品對(duì)揚(yáng)克缸的粘著力曲線

Bubond?2646從紙頁(yè)上缸到起皺刮刀處均可提供更好的粘著力，對(duì)揚(yáng)克缸來(lái)說具有更實(shí)質(zhì)性的好處，可形成優(yōu)質(zhì)的涂層。添加了高檔改性劑可軟化涂層，使之形成更好的調(diào)節(jié)能力、刮刀潤(rùn)滑和運(yùn)轉(zhuǎn)性能，同時(shí)增強(qiáng)紙頁(yè)拉伸力。

Bubond?2646的最新評(píng)估顯示和其他的競(jìng)爭(zhēng)項(xiàng)目相比，它提高了紙頁(yè)松厚度。生產(chǎn)所用的設(shè)備是傳統(tǒng)的低定量干法起皺衛(wèi)生紙機(jī)，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(yè)拉伸力增加5%，松厚度提高11%，同時(shí)維持其他的質(zhì)量指標(biāo)符合要求。刮刀磨損相似，且增強(qiáng)了運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

通常，增加生活用紙柔軟度的最常見化學(xué)方法是使用解鍵劑（圖5）。多年來(lái)常用的是脂肪族季銨化合物，雖然反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)單，但是應(yīng)用復(fù)雜。當(dāng)添加到漿料中時(shí)，陽(yáng)離子添加劑附著于帶有陰離子的紙頁(yè)上，另一端的疏水脂肪鏈干擾了纖維之間的氫鍵結(jié)合。

當(dāng)然，干擾氫鍵結(jié)合過程也降低了紙頁(yè)強(qiáng)度。起皺后這種強(qiáng)度較弱的紙頁(yè)在手感測(cè)試中得分較高。紙頁(yè)強(qiáng)度也是大多數(shù)柔軟度測(cè)量?jī)x器所需測(cè)試的重要指標(biāo)。

盡管原理簡(jiǎn)單易懂，但是經(jīng)過磨漿和添加解鍵劑還要保持必要的紙頁(yè)強(qiáng)度，對(duì)紙機(jī)操作人員來(lái)說很難。過量解鍵劑也會(huì)影響揚(yáng)克缸涂層的化學(xué)性能。由于解鍵劑的使用，揚(yáng)克缸上要使用剝離劑，這會(huì)對(duì)皺紋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此影響了低強(qiáng)度紙頁(yè)的手感。要在解鍵劑的用量、磨漿機(jī)能耗和起皺化學(xué)品的優(yōu)化之間尋求平衡，并不是一個(gè)初學(xué)的紙機(jī)操作工可以勝任的。

傳統(tǒng)解鍵劑的另一個(gè)負(fù)面影響是對(duì)紙頁(yè)吸收性的影響。因?yàn)榧句@類化合物有大的疏水基團(tuán)，會(huì)導(dǎo)致紙頁(yè)具有疏水性。如果季銨類化合物加入過多，會(huì)降低紙頁(yè)的吸水性能，而吸水性又是起皺紙品的重要性能之一。

市場(chǎng)上廣泛存在對(duì)不影響紙頁(yè)強(qiáng)度的柔軟劑的需求。換言之，市場(chǎng)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(shí)對(duì)揚(yáng)克缸化學(xué)性能、濕部化學(xué)性能或終端產(chǎn)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(chǎn)品。通過投資新型手感測(cè)試儀、吸水性檢測(cè)儀器，并改善實(shí)驗(yàn)室測(cè)試技術(shù)來(lái)檢測(cè)對(duì)紙頁(yè)性能的影響。過去25年來(lái)，專利中公開了一些影響手感的化學(xué)品。在這些已知化學(xué)品的基礎(chǔ)上，開發(fā)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(duì)纖維產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，且使其對(duì)紙頁(yè)強(qiáng)度、起皺化學(xué)品或紙頁(yè)吸收性產(chǎn)生的影響最小化，都是研究的關(guān)注點(diǎn)。

開發(fā)一種穩(wěn)定、可流動(dòng)的水基柔軟劑是一個(gè)非常繁瑣的過程。這種柔軟劑在滿足監(jiān)管要求的同時(shí)，還需滿足以上提到的所有需求。

圖6所示為從某中端市場(chǎng)中零售商品牌衛(wèi)生紙生產(chǎn)企業(yè)收集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，采用TPII基本原圖算法得到的結(jié)果稱之為紙頁(yè)手感。

如圖所示，巴克曼柔軟劑在用量2kg/t紙時(shí)，呈現(xiàn)出最佳的性價(jià)比。該柔軟劑對(duì)濕部化學(xué)性能、紙頁(yè)強(qiáng)度和吸水性都沒有影響，但是在手感方面至少有5個(gè)點(diǎn)的提高。起皺化學(xué)性能沒有受到影響，每英寸的皺紋條數(shù)保持在穩(wěn)定水平。工廠的手感柔軟度評(píng)估小組也給出了較好的測(cè)試結(jié)果。作為市場(chǎng)中的變革者，巴克曼柔軟劑無(wú)需客戶對(duì)噴涂、卷軸、加工或其他設(shè)備進(jìn)行改造，只需要稀釋水和一個(gè)泵并選擇合適的位置添加即可。

圖5 纖維解鍵化學(xué)過程

圖6 巴克曼柔軟劑產(chǎn)品對(duì)紙頁(yè)柔軟度的影響

近十年來(lái)，生活用紙的設(shè)備和生產(chǎn)工藝已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，而化學(xué)品的進(jìn)步往往被忽略。無(wú)論產(chǎn)品設(shè)計(jì)還是市場(chǎng)服務(wù)，適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)性能都是必要的。巴克曼公司始終關(guān)注和致力于生活用紙市場(chǎng)和消費(fèi)者需求的高標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新化學(xué)品和智能技術(shù)。酶、起皺化學(xué)品和柔軟劑技術(shù)的進(jìn)步為實(shí)現(xiàn)柔軟生活用紙的終端目標(biāo)提供了強(qiáng)大助力。