利用改性植物纖維生產(chǎn)一次性口罩紙的可行性初探

盧詩強 ，陳張彥，楊冬梅，馬洪生，王 玥，陳 冰，張紅杰

（1.珠海紅塔仁恒包裝股份有限公司，珠海 519070；2.中國制漿造紙研究院有限公司，制漿造紙國家工程實驗室，北京 100102）

目前仍在全世界蔓延的新冠病毒，其主要是以微生物氣溶膠的形式在空氣中傳播，很容易被人體吸入呼吸道，因此口罩成為抵御這類病毒侵襲的最有力武器。

口罩通?？捎糜诜缐m和防毒，過濾空氣中的有害物質(zhì)[1]。其中，防毒口罩又分為空氣過濾式與供氣式兩種。空氣過濾式口罩是通過口罩將空氣中的有害物質(zhì)過濾凈化后，空氣被人體吸入；供氣式口罩是將分離出有害物質(zhì)后的干凈氣源，通過動力部分（空壓機等）經(jīng)面罩送到人體面部進行呼吸?？諝膺^濾式口罩一般是由內(nèi)外層的面罩和芯層的濾材（口罩紙）兩部分構(gòu)成[1-3]。濾材的過濾效果一般與材料自身性質(zhì)、顆粒物粒徑等密切相關(guān)[4-6]。國內(nèi)市場上的口罩紙多采用PP、PET、PBT 等高分子材料制作，其阻隔細顆粒物的效果好，但這些合成纖維難以降解、回收，后續(xù)處理相對困難，甚至嚴重影響生活垃圾的可堆肥處理。為了迎合環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的國家戰(zhàn)略，新型高效口罩環(huán)保過濾材料的開發(fā)已成為此領(lǐng)域研究的熱點之一。

天然植物纖維綠色、經(jīng)濟、環(huán)保，其纖維細胞壁自身具備多孔性結(jié)構(gòu)，過濾阻力相對較低，因此在制備一次性醫(yī)用口罩紙方面具有很大潛力。但是直接使用天然植物纖維抄造口罩原紙還存在很多缺陷，必須對其進行改性處理。本文嘗試以氫氧化鈉/尿素/硫脲體系進行植物纖維的溶劑法改性，并使用硅烷偶聯(lián)劑對改性后的纖維進行疏水處理，最后利用實驗室動態(tài)紙頁成型器試制開發(fā)綠色可降解的口罩紙，分析改性纖維的打漿度和口罩紙的定量對其關(guān)鍵物理強度指標、透氣度和過濾效率等的影響，探討利用改性植物纖維生產(chǎn)口罩紙的可行性。

1 實驗

1.1 實驗原料、試劑與儀器

1.1.1 實驗原料及藥品

銀星針葉漿板，智利Arauco 公司。氫氧化鈉、尿素、硫脲、乙醇，分析純，西隴化工股份有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH570，美國道康寧公司。

1.1.2 實驗儀器

GBJ-A 型纖維標準解離器，長春市月明公司；P40130 型瓦利打漿機，奧地利PTI 實驗儀器公司；912.1E 型纖維質(zhì)量分析儀，瑞典L&W 公司；2543 型動態(tài)紙頁成型器，日本KRK 公司；TQY-III 型紙張透氣度測量儀，中國科學院安徽光學精密機械研究所；8130A 型過濾效率測試儀，美國TSI 公司；XWY-VII 型纖維測量儀，珠海華倫造紙科技公司；DCP-HDY09 型衛(wèi)生紙厚度儀，四川長江造紙儀器有限責任公司；ZB-WL30 型臥式電腦拉力儀，杭州紙邦自動化技術(shù)有限公司。

1.2 口罩紙的實驗室制備

本實驗利用氫氧化鈉/尿素/硫脲體系處理針葉漿板，然后利用硅烷偶聯(lián)劑進行改性。在改性過程中纖維發(fā)生潤脹、氫鍵弱化、結(jié)構(gòu)松弛等變化，從而使得用其抄造的紙頁有較好的松厚性能和透氣性能。實驗中，按氫氧化鈉:尿素:硫脲的質(zhì)量比為3:3:4的比例配制質(zhì)量分數(shù)為20%的溶劑。

1.2.1 漿料的處理

（1）溶劑法改性：取絕干質(zhì)量為100 g 的針葉木漿板，在濃度5%、轉(zhuǎn)速35 000 r/min 的條件下進行疏解。將疏解后的纖維放入2 000 mL 預(yù)冷的氫氧化鈉/尿素/硫脲溶液中，利用機械攪拌器攪拌均勻后，置于-2 ℃冰箱內(nèi)處理30 min。溶液過濾回收，紙漿洗滌干燥后放入冰箱平衡水分。

（2）疏水化改性：取絕干質(zhì)量為5 g 的上述利用溶劑法改性后的纖維，將其分散在1 000 mL 乙醇中，于60 ℃條件下攪拌均勻，并加入5 g 硅烷偶聯(lián)劑KH570，反應(yīng)2 h 后過濾，洗滌，烘干得到疏水改性纖維。

（3）打漿：用瓦利打漿機對上述溶劑化和疏水化改性后的針葉木化學漿纖維進行不同程度的打漿處理，得到18 °SR、24 °SR 和35 °SR 三種不同打漿度水平的紙漿纖維，檢測其水分，備用。

1.2.2 口罩紙的制備

采用2543 型動態(tài)紙頁成型器抄制低定量的口罩紙。設(shè)定動態(tài)紙頁成型器的噴嘴角度90°、噴嘴壓力0.1 MPa、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速1 000 r/min 和紙漿濃度0.37%等參數(shù)，利用該設(shè)備通過控制噴嘴上下往復的次數(shù)抄制所需定量的紙頁。

1.3 纖維形態(tài)和紙頁性能的分析檢測

1.3.1 纖維形態(tài)和形貌

采用912.1E 型纖維質(zhì)量分析儀進行改性植物纖維的形態(tài)分析，分別得到不同打漿度改性纖維的長度和寬度。采用XWY-VII 型纖維測量儀分析改性植物纖維的表面形貌。

1.3.2 紙頁物理強度

低定量薄頁紙的厚度采用DCP-HDY09 型衛(wèi)生紙厚度儀進行測定；紙頁的縱向和橫向抗張強度采用ZB-WL30 型臥式電腦拉力儀進行測定。

1.3.3 透氣度和過濾效率

紙頁的透氣性采用TQY-III 型紙張透氣度測量儀進行分析；紙頁的過濾效率采用8130A 型過濾效率測試儀進行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性植物纖維的性能分析

2.1.1 形態(tài)分析

針對化學改性的針葉木化學漿纖維，用瓦利打漿機進行打漿處理后，18、24、35 °SR 三種打漿度的改性纖維的形態(tài)測量數(shù)據(jù)如表1 所示。

由表1 可見：隨著改性植物纖維打漿度的提高，纖維長度略有下降，從2.385 mm 下降至2.341 mm，這說明改性植物纖維經(jīng)過機械處理后，只有很少比例被切斷；纖維寬度沒有發(fā)生變化，為32 μm 左右；纖維的長寬比也略有下降，從75.48 下降至72.48。當改性植物纖維在相對較低打漿度水平時，纖維主要經(jīng)受的是分絲帚化，很少被切斷。

表1 不同打漿度的改性植物纖維的形態(tài)分析

2.1.2 形貌觀察

針對不同打漿度水平的改性針葉木化學漿纖維，利用光學顯微鏡觀察其纖維形貌特征，結(jié)果如圖1—圖3 所示。

由圖1 可見：未打漿的改性針葉木化學漿纖維，仍舊保持針葉木纖維的細長和完整，很少觀察到被切斷的纖維端面；部分纖維表面有少量類似“微纖絲狀”，這有可能是前期進行化學改性過程中，纖維細胞壁外層發(fā)生一定程度的“破壞”，暴露出少量微細纖維。

圖2 和圖3 分別是輕度打漿（打漿度為24°SR）和重度打漿（打漿度為35°SR）的改性針葉木化學漿纖維。經(jīng)過輕度打漿后，改性纖維表面的“微纖絲狀”比例增多，說明纖維細胞壁發(fā)生較明顯的分絲帚化現(xiàn)象（如圖2 所示）。經(jīng)過重度打漿的改性纖維，開始有少量發(fā)生切斷，在圖3 的顯微鏡圖片中可以看到，存在少量被切斷纖維的端面；而且纖維表面出現(xiàn)非常明顯的分絲帚化現(xiàn)象，很多纖維表面都存在大量的“微纖絲”狀。

對比圖1—圖3，打漿機械處理改性植物纖維的效果非常明顯。輕度打漿（打漿度為24 °SR）的纖維試樣，改性植物纖維的表面僅發(fā)生少量分絲帚化。對于重度打漿（打漿度為35 °SR）的改性纖維試樣，大量纖維開始出現(xiàn)表面分絲帚化，存在較多的“起毛”現(xiàn)象，纖維開始有少量被切斷。

圖1 未打漿改性纖維的光學顯微鏡圖片

圖2 輕度打漿改性纖維的光學顯微鏡圖片

圖3 重度打漿改性纖維的光學顯微鏡圖片

2.2 動態(tài)紙頁的物理強度和透氣性

2.2.1 物理強度

用動態(tài)紙頁成型器將三種不同打漿度水平的改性纖維抄制出不同定量的紙頁（15、25、35 g/m2），系統(tǒng)比較其在物理強度方面的變化趨勢。檢測紙頁的物理強度指標如表2 所示。為了便于比較，將相同打漿度、不同定量的動態(tài)紙頁的物理強度指標繪制成圖4，將不同打漿度、相近定量的動態(tài)紙頁的物理強度指標繪制成圖5。

表2 不同打漿度、不同定量動態(tài)紙頁的物理強度

由圖4 可見：當改性植物纖維的打漿度不變時，隨著定量的提高，紙頁緊度略有下降，縱向抗張強度和橫向抗張強度明顯提高。紙頁緊度在較低定量時下降不明顯，在較高定量時下降幅度較明顯（從1.3 g/cm3下降至0.8 g/cm3）。紙頁定量為25 g/m2左右的縱橫向抗張強度比紙頁定量為15 g/m2左右的均提升了一倍左右；當定量繼續(xù)增加至35 g/m2左右時，紙頁縱橫向抗張強度的提升幅度開始下降。

圖4 相同打漿度不同定量動態(tài)紙頁的物理強度比較

圖5 不同打漿度相近定量動態(tài)紙頁的物理強度比較

由圖5 可知：當改性植物纖維的定量保持相近時，此時隨著打漿度提高，紙頁的緊度和縱向抗張強度均呈現(xiàn)上升趨勢，橫向抗張強度變化不大。隨著打漿度的提高，較低定量動態(tài)紙頁的緊度和縱向抗張強度提高非常顯著，而較高定量動態(tài)紙頁的緊度和縱向抗張強度的提升幅度相對較小。這說明隨著改性植物纖維打漿度的提高，纖維發(fā)生顯著的分絲帚化現(xiàn)象，纖維表面暴露的羥基數(shù)量增多，致使纖維間的氫鍵結(jié)合增多，纖維自身的結(jié)合力也增強，這都有效增加了纖維間的接觸面積，使紙頁中纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的更致密；另外，在定量一定的前提下，緊度相對提高將會導致紙頁的容塵能力相對較差。

2.2.2 透氣度

透氣度反映的是紙頁中纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空隙情況，是口罩原紙的重要指標之一。一般情況下，透氣度會隨著紙頁緊度的增加而下降。本部分內(nèi)容旨在分析不同打漿度水平(纖維之間結(jié)合程度不同)或不同定量(纖維網(wǎng)絡(luò)層數(shù)不同)的情況下，纖維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的空隙狀況以及空氣透過情況。為了便于分析不同狀況下纖維網(wǎng)絡(luò)的空氣透過情況，將相同打漿度、不同定量動態(tài)紙頁的透氣度繪制成圖6，將不同打漿度、相近定量動態(tài)紙頁的透氣度繪制成圖7。

圖6 相同打漿度、不同定量動態(tài)紙頁的透氣度比較

圖7 不同打漿度、相近定量動態(tài)紙頁的透氣度比較

由圖6 可知：不論打漿度較低還是較高，當其保持不變時，隨著動態(tài)紙頁定量的增加，其透氣度明顯下降。在紙頁定量從15 g/m2左右增加至25 g/m2左右時，透氣度劇烈下降，幾乎損失了60%～70%。這說明動態(tài)紙頁的定量與其透氣度密切相關(guān)。結(jié)合表2中緊度的數(shù)據(jù)表明，紙頁緊度下降，導致紙頁內(nèi)部纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于疏松，纖維間結(jié)合相對較差，內(nèi)部空隙較多，容塵能力增強。由圖7 可以看出：對于三個打漿度水平的相近定量的動態(tài)紙頁，隨著打漿度的提高，透氣度下降，表明紙頁對于空氣的通過阻力增大。當打漿度從18 °SR 提高至24 °SR 時，紙頁透氣度下降幅度相對較小，特別是針對較低定量的動態(tài)紙頁而言。這說明改性纖維的打漿度對紙頁的透氣度有一定的影響，但不是很劇烈。

2.3 兩種打漿度條件下的口罩原紙過濾效率比較

過濾效率是衡量過濾材料過濾特性的重要性能指標之一，指在一定檢測條件下，被捕獲的顆粒物質(zhì)量與原顆粒物質(zhì)量之比。過濾效率主要受過濾材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)與空隙比例、宏觀孔徑尺寸和分布等因素影響。對于口罩紙這類過濾材料來說，其具有一定纖維網(wǎng)絡(luò)厚度和錯綜復雜的空隙結(jié)構(gòu)，微小顆粒隨著氣流運動進入多層纖維網(wǎng)絡(luò)，纖維之間交織結(jié)構(gòu)一定程度可以截留較大尺寸的顆粒物，對于帶有電荷的顆粒物，可以通過與纖維上的功能團發(fā)生作用，通過靜電作用等方式束縛微小顆粒，達到提高過濾效率的目的。

參照口罩紙國家標準GB/T 22927—2008 的要求，利用動態(tài)紙頁成型器抄制定量為15 g/m2紙頁，檢測的物理強度和透氣度指標等如表3 所示。由表3 可知：動態(tài)紙頁的定量維持在15 g/m2左右，隨著紙漿纖維打漿度的提高，紙頁的緊度、縱向抗張強度和橫向抗張強度也隨之提高，而透氣度有下降趨勢。當打漿度在18 °SR 以下時，紙頁的透氣度非常大，都遠超過20 000 CU。當打漿度超過20 °SR 時，透氣度顯著下降，29 °SR 纖維抄制的動態(tài)紙頁的透氣度只有2 300 CU，已不能滿足國家標準GB/T 22927—2008 的要求。

表3 不同打漿度的動態(tài)紙頁的性能比較

本文選取兩種打漿度（15 °SR 和22.5 °SR）條件的改性針葉木化學漿纖維，利用動態(tài)紙頁成型器抄制定量和強度指標符合國標要求的口罩紙，在實際口罩機上制作成口罩，采用美國產(chǎn)的TSI 過濾效率測試儀檢測其過濾效率。顆粒物選取0.3 μm 的氯化鈉顆粒，通氣阻力180 Pa，設(shè)定不同的流速，檢測得到單層口罩紙的過濾效率如表4 所示。

表4 兩種打漿度條件下單層口罩紙的過濾效率

由表4 可知：兩種打漿度的口罩紙針對兩種流速的顆粒物的過濾效率都不高，遠不能達到一次性醫(yī)用口罩的過濾標準（國家標準中，顆粒物過濾效率最低要求是大于30%）。

同時，還針對22.5°SR 的口罩，采用2.5 μm 氯化鈉顆粒物進行同樣的過濾測試，單層采用85 L/min，此時的過濾效率為97.7%。這說明定量為15 g/m2紙頁可以滿足PM2.5防霧霾口罩的使用要求，不能滿足一次性醫(yī)用口罩的要求。

3 總結(jié)

（1）改性植物纖維經(jīng)過打漿處理后纖維長度和寬度的變化很小，但是纖維形貌發(fā)生較大改變，纖維表面出現(xiàn)顯著的分絲帚化現(xiàn)象。當改性纖維的打漿度不變時，隨著動態(tài)紙頁定量的提高，紙頁緊度略有下降，縱向和橫向抗張強度提高；當動態(tài)紙頁的定量保持相近，隨著改性纖維打漿度的提高，紙頁的緊度和縱向抗張強度提高，橫向抗張強度變化不大。

（2）動態(tài)紙頁的透氣度與其定量和改性纖維的打漿度有關(guān)。當改性纖維的打漿度保持不變時，隨著紙頁定量的增加，其透氣度急劇下降；當紙頁的定量保持相近，隨著改性纖維打漿度的提高，紙頁透氣度也明顯下降，但相比定量變化對透氣度的影響，打漿度的影響相對較小。

（3）按照國家標準GB/T 22927—2008 的要求，動態(tài)紙頁定量15 g/m2左右時，隨著改性纖維打漿度的提高，紙頁的緊度、縱向抗張強度、橫向抗張強度呈現(xiàn)上升趨勢，透氣度則快速下降；當打漿度小于等于22.5 °SR 時，其透氣度超過10 000 CU，符合國標要求。但是，不論是15 °SR 打漿度的口罩紙還是22.5 °SR 打漿度的口罩紙，針對0.3 μm氯化鈉顆粒物的過濾效率均不高，無法達到一次性醫(yī)用口罩的過濾標準，僅能滿足PM2.5防霾口罩的使用。